Calcul et réalisation d'un filtre à quartz

NB: Le boîtier des quartz n'a pas encore été mis à la masse

Dans ce chapitre nous allons aborder la réalisation d'un filtre destiné à un transceiver décamétrique. Ces quelques lignes sont le fruit d'une expérience pratique acquise en consultant les nombreux articles écrits sur le sujet et grâce aussi à un programme informatique qui en permettra le calcul.

LA THÉORIE :

Le filtre à quartz est l'élément essentiel dans une chaîne de réception ou d'émission classique en Bande Latérale Unique. Sa propriété est de ne laisser passer qu'une des deux bandes latérales avec des flancs aussi abruptes que possible et une bande passante étroite mais compatible avec l'intelligibilité la voix. Cette sélectivité s'exprime en Hertz pour une atténuation de 3 dB de part et d'autre de la bande passante.
De plus dans la bande passante, l'atténuation doit être aussi faible et aussi plate que possible. C'est la configuration QER (Quasi-Equi-Ripple) de G3UUR qui donne les meilleurs résultats et le schéma générique de ce type de filtre est le suivant :

Filtre en échelle ou ladder filter

N.B. : Les condensateurs, de valeur identique, déterminent la bande passante calculée par logiciel en fonction de la caractéristique des quartz.

     Tout d'abord, nous allons choisir une fréquence aux alentours de 20 MHz. Les quartz du filtre devant être le plus possible sur la même fréquence, il va falloir en approvisionner un lot conséquent de façon à les trier. C'est la première opération à exécuter.
     Nous devons donc en trouver huit, les plus proches possibles en fréquence, ce qui implique d'en avoir un certain nombre, une trentaine ou une quarantaine. Deux sources d'approvisionnement sont possibles :
     - Des quartz 20 MHz en lot de 50 en provenance de Chine sur eBay à un prix défiant toute concurrence mais avec deux inconvénients, le fait qu'un certain nombre de quartz sont inactifs (rebut de fabrication ?) et qu'ils sont en boîtier HC49/S (bas profil) donc avec un moins bon facteur de qualité.
     - CONRAD avec des quartz 18 MHz à un prix très abordable et de plus en boîtier normal HC49/U.

IMPORTANT : Les quartz devront provenir du même fabricant, les disparités étant importantes.

Après un essai aux résultats mitigés avec les quartz "informatiques", nous avons opté pour ceux de CONRAD.

Le cahier des charges de notre filtre est le suivant :

     - Fréquence :18 MHz
     - Bande passante : 2,7 kHz à -3 dB
     - Nombre de pôles : 6

Tri des quartz :

Il faut commencer par réaliser un oscillateur d'un type un peu spécial qui va nous permettre, à l'aide d'un logiciel, de caractériser les quartz et de calculer la valeur des condensateurs (de même valeur) associés aux quartz.

     Pour faciliter l'opération de tri, nous allons numéroter chaque quartz au feutre et préparer un tableau EXCEL dans lequel seront rentrées les valeurs trouvées, ce qui permettra avec la fonction de tri, de choisir les huit quartz les plus proches en fréquence.
     La feuille EXCEL téléchargeable ICI en donne un exemple. Il suffit de choisir les huit quartz se situant au-dessus de la ligne correspondant au chiffre le plus bas de la troisième colonne, soit dans notre exemple, les quartz allant de la ligne 16 à la ligne 23.
     On branche un fréquencemètre dont la résolution est au moins de 10 Hz à la sortie de l'oscillateur de test sur la position 0 et on note dans le tableau la valeur trouvée. Un tri croissant de la colonne 2 associée à la colonne 1 permettra en colonne 3 de choisir la valeur de dispersion la plus faible, point de départ du choix des huit quartz.

Caractérisation des quartz :

Une fois les quartz sélectionnés, nous allons déterminer certains paramètres nécessaires au calcul des condensateurs du filtre.
Cela commence par la capacité en pF entre les deux broches. La mesure est effectuée avec un capacimètre capable de mesurer des valeurs faibles avec une décimale. On fera la moyenne de quelques mesures, les différences étant assez faibles. On ne tiendra pas compte de la capacité entre les broches et le boîtier, celle-ci a peu d'influence sur le résultat final.

Pour chaque quartz nous allons déterminer les deux fréquences de résonance, une avec le quartz à la masse et l'autre avec la capacité de 33 pF en série.

EXEMPLE PRATIQUE

Réalisation d'un filtre centré sur 18 MHz, d'une bande passante de 2,7 MHz et d'ordre 6.

La première opération est de mesurer les deux fréquences obtenues en fonction de la position de l'interrupteur et de les noter dans les colonnes B et C de la feuille du tableur. On fera cela pour tous les quartz du lot et pour ne pas surcharger les cases, on ne garde que les chiffres significatifs (à partir du kHz mais sans les Hz, les mesures étant faites à 10 Hz près, ce qui est suffisant).

Ensuite, un tri effectué sur la colonne B va donner en colonne D une série de valeurs dont on choisira la plus faible. Ce sont les 8 quartz au-dessus qui seront choisis pour constituer le filtre.
On fera alors un copier-coller pour sélectionner ces 8 quartz et leurs fréquences respectives. La ligne suivante donne la moyenne de ces deux fréquences qui vont servir à renseigner le logiciel.

Nous allons maintenant utiliser le logiciel DISHAL V2.0.3 de DJ6EV* pour calculer la valeur des condensateurs. Tout d'abord, on va déterminer les paramètres des quartz grâce à la fonction "G3UUR Method" dans le menu "Xtal".
Nous renseignons le schéma avec la valeur de la capacité entre électrodes, dans notre cas 2,6 pF, la valeur de Csw (33 pF) et laissons 470 pF pour les deux capacités C1 et C2.

Il reste à indiquer les deux valeurs moyennes de fréquence trouvées précédemment et un clic sur Calculate fera apparaître la valeur de l'inductance Lm en mH et la fréquence série en kHz.

Ces deux valeurs sont ensuite entrées dans le QER(G3UUR) calculator ainsi que la bande passant désirée, la valeur de la capacité entre électrodes et le nombre de pôles du filtre (les deux quartz en parallèle comptent pour 1). En bas de fenêtre, nous obtenons la valeur des condensateurs du filtre et son impédance caractéristique.

     Le résultat essentiel est la valeur des 5 condensateurs Ck à adopter pour le filtre.

     Pour plus de prudence, on soudera d'abord les condensateurs de 100 pF avant de faire une mesure de bande passante et ensuite d'ajuster celle-ci avec d'autres condensateurs en parallèle car, comme on le verra la pratique ne rejoint pas la théorie.
     A noter que si les deux emplacements prévus pour les condensateurs ne sont pas suffisants, les CMS permettent très simplement de faire des groupements en parallèle en les soudant les uns sur les autres.
     L'expérience prouve que la bande passante pratique est un peu plus étroite que celle du calcul théorique.

     Sur la courbe ci-dessous, on remarque que pour obtenir une BP de 2,7 kHz, il aurait fallu mettre des condensateurs de valeur un peu inférieure à 122 pF :

On voit également que l'impédance caractéristique du filtre avoisine les 50 ohms et n'a pas à être corrigée, ce qui serait éventuellement possible par un groupement condensateur-inductance aux deux extrémités du filtre. Ce même logiciel permet de calculer ces éléments (LC-Match).

RÉALISATION DU FILTRE

Le circuit imprimé simple face, a été conçu pour être le plus compacte possible avec l'utilisation de condensateurs CMS 1206. Nous avons prévu deux emplacements pour chaque capacité à la masse, de façon à s'approcher le plus possible de la valeur calculée par la mise en parallèle de deux condensateurs et éventuellement ajuster cette valeur.
Une pastille de masse a été prévue au regard de chaque paire de quartz.

* Ce logiciel ne nécessite pas d'installation et peut être mis sur une clef USB. Il est téléchargeable à l'adresse suivante :
http://dc5pi.akadns.de/blogs/media/blogs/dj6ev/quarzfilter/deDishal203.zip?mtime=1274562790

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