Duplexer per la ricezione DAB+

Duplexer per la ricezione DAB+

Se state valutando la possibilità di sostituire la vostra autoradio AM-FM con qualcosa di più moderno, in grado di ricevere anche il segnale digitale DAB+, vi sarete probabilmente resi conto che i più recenti modelli di ricevitore dispongono di due ingressi di antenna separati. Normalmente, per ricevere queste bande sono infatti richieste due antenne distinte. Tuttavia, realizzando il progetto presentato in questo articolo, sarete in grado di collegare entrambi gli ingressi a un’antenna standard per autovettura

Introduzione

Ho cominciato a interessarmi a questo tipo di filtro quando mi decisi a sostituire il mio vecchio modello di autoradio con un ricevitore di tipo moderno, in grado di ricevere anche il segnale digitale DAB+. Fortunatamente la mia auto era ancora dotata di uno slot DIN (una dotazione standard su molti veicoli di fabbricazione europea), e ciò ha consentito di semplificare notevolmente la realizzazione del progetto. Le autoradio DAB+ dispongono di due ingressi separati per l’antenna: uno per il segnale VHF (banda FM), e uno per il segnale DAB+. Al primo ingresso va collegata la normale antenna dell’auto, mentre al secondo ingresso va collegata l’apposita antenna (nel caso in cui l’autovettura sia già equipaggiata di serie con un’autoradio digitale), oppure l’antenna fornita con l’autoradio, da installare sul parabrezza. Quest’ultima soluzione (corrispondente al nostro caso) non è tuttavia molto vantaggiosa, in quanto peggiora la visibilità nella parte frontale del veicolo, ed è necessario praticare un foro nel cruscotto per far passare il cavo dell’antenna. Se al posto dell’antenna da parabrezza fornita con l’autoradio volete utilizzarne un altro tipo, dovrete anzitutto verificare se questa è in grado di ricevere il segnale DAB+: alcune antenne attive reperibili in commercio, infatti, dispongono di un filtro passa basso integrato che limita notevolmente questo tipo di ricezione. Il modo più semplice per accertarsi se un’antenna è adatta alla ricezione del segnale DAB+, è quello di collegarla a un analizzatore di spettro come indicato in Figura 1, oppure testarla direttamente con un ricevitore DAB+. Come è noto, la banda VHF (FM) copre le frequenze comprese tra 88 e 108 MHz, mentre il segnale DAB in Banda III spazia da 174 fino a 230 MHz. La Banda L, posta nella regione di frequenze intorno a 1,5 GHz e utilizzata per il segnale DAB in alcune zone, è irrilevante per quanto riguarda la ricezione del segnale radio negli autoveicoli.

Figura 1: spettro del segnale DAB+ a 178 MHz, canale 5c

Il segnale ricevuto dovrà essere opportunamente separato prima di essere collegato ai due ingressi antenna del ricevitore. La soluzione più semplice per realizzare questa separazione potrebbe essere quella di collegare due cavi in parallelo, ma in questo caso si modificherebbe l’accoppiamento di impedenza, generando una riflessione del segnale e, in alcuni casi, una perdita parziale del segnale. Uno splitter passivo (composto da tre resistenze) consente di evitare il disaccoppiamento, ma introduce un’attenuazione che si vorrebbe ovviamente evitare. Un’altra soluzione potrebbe essere quella di utilizzare un trasformatore RF.

Esecuzione dei primi test

E’ tuttavia possibile ottenere la separazione richiesta combinando un filtro passa basso con un filtro passa alto, a condizione che i filtri posseggano delle opportune caratteristiche di frequenza. Per eseguire i primi test, sono stati utilizzati due comuni filtri di tipo commerciale. In Figura 2 possiamo osservare le risposte in frequenza di questi filtri, ottenute eseguendo le misure separatamente tramite un analizzatore di rete. Anche se le frequenze indicate non sono quelle idonee per separare i segnali VHF e DAB+, possiamo comunque notare come entrambi i filtri abbiano un comportamento perfettamente piatto nella regione passa banda.

Figura 2: i filtri commerciali SLP-150+ (passa basso) e SHP-250+ (passa alto) prodotti da Mini-Circuits

Collegando entrambi i filtri in parallelo tramite un adattatore a T, si genera come effetto una mutua influenza sulla risposta in frequenza, come visibile in Fig­ura 3.

Figura 3: entrambi i filtri sono stati collegati in parallelo tramite un adattatore a T

Dopo aver condotto questi test preliminari, l’autore del progetto ha provato ad eseguire la separazione del segnale utilizzando uno splitter di potenza resistivo e degli attenuatori addizionali da 6 dB collocati dopo lo splitter di potenza. Sebbene la mutua influenza si sia ridotta, si trattava ancora di una soluzione poco elegante, che oltretutto introduceva un’attenuazione del segnale compresa tra 3 e 6 dB. Il filtro passa basso mostrava inoltre una risposta in frequenza irregolare.

Il duplexer

La soluzione più adatta ai nostri scopi potrebbe essere quella di utilizzare un duplexer, ottenuto combinando un filtro passa basso con un filtro passa alto (oppure un filtro passa banda con un filtro per la reiezione della banda): in altre parole, un divisore di frequenze radio. Entrambi i filtri sono accoppiati tra loro in modo tale da essere pilotati in parallelo dalla sorgente del segnale. Per eseguire i calcoli richiesti, si è utilizzato il software ‘Diplexer Design’ sviluppato da James L. Tonne [1]. Questo programma permette di eseguire una scelta tra le opzioni filtro passa basso/filtro passa alto e filtro passa banda/filtro banda larga. In questo progetto, tuttavia, copriremo soltanto la versione passa basso/passa alto. All’interno della pagina Design del programma (una screenshot è visibile in Figura 4) è possibile definire le caratteristiche del duplexer. L’ordine del filtro (‘Order’) è una misura della sua complessità, e di conseguenza del numero di componenti richiesti. ‘Crossover freq’ indica invece il punto di intersezione tra i due filtri. In questo esempio relativo alle bande di frequenze VHF e DAB+, il punto di intersezione si trova circa a metà strada tra la più alta frequenza VHF (108 MHz) e la più bassa frequenza DAB+ (174 MHz). La frequenza di crossover può essere regolata in modo preciso sino a rendere circa uguale l’attenuazione dei due filtri nella banda non desiderata. Potete anche provare a sostituire i valori calcolati di tipo ‘awkward’ (indicanti un valore del componente non disponibile in commercio) con dei valori reali e facilmente reperibili.

Figura 4: la pagina Design del programma Diplexer Design

Il filtro passa basso posto nella parte superiore dello schema inizia sempre con un’induttanza serie. Quando si eseguono i calcoli relativi a un nuovo filtro, si può scegliere se partire con un’induttanza serie (struttura a T) oppure con un condensatore di shunt (struttura a Pi greco). Analogamente, il filtro passa alto inizia sempre con un condensatore serie. ‘Passband ripple’ indica invece l’ampiezza della variazione periodica nella regione passa banda, esattamente come avviene in un filtro Chebyshev. Più alto è il ripple, più preciso sarà il filtro, e viceversa. ‘System Z’ indica il valore dell’impedenza, nel nostro caso essa è pari a 50 ohm. Premendo il tasto ‘Plot’, si raggiunge la schermata successiva, visibile in Figura 5.

Figura 5: pagina relativa al tracciamento dei grafici (plot)

In questa pagina è ancora possibile modificare alcuni parametri del filtro, quali l’ordine, il ripple, e la frequenza di crossover, osservando subito gli effetti prodotti dalla variazione. E’ inoltre possibile selezionare il particolare tipo di stile utilizzato per il tracciamento del grafico tramite l’opzione ‘Plot Options’, e aggiungere dei marcatori al plot tramite l’opzione ‘Markers’. Definiti i parametri del filtro, il suo comportamento è stato simulato utilizzando lo strumento Simetrix. I risultati prodotti dalla simulazione del duplexer progettato sono stati quindi confrontati con quelli relativi a un filtro passa basso di Chebyshev.

Il circuito

Il PCB del duplexer è stato creato utilizzando EAGLE. I valori non disponibili in commercio delle induttanze e dei condensatori sono stati ottenuti collegando i valori disponibili in parallelo e in serie. Per quanto riguarda i condensatori, è possibile collegarli in parallelo senza grossi problemi, disponendoli uno a fianco dell’altro. Il collegamento delle induttanze in serie è invece tutta un’altra cosa. I due campi magnetici (prodotti dal passaggio della corrente nelle due bobine) possono infatti interagire tra loro, creando di fatto un effetto analogo a quello prodotto da un trasformatore; inoltre, il valore effettivo dell’induttanza risultante non corrisponde, come ci aspetteremmo, alla somma dei valori delle due singole induttanze. Di conseguenza, le due induttanze sono state ruotate di 90 gradi e, almeno fino al punto in cui il layout SMD lo permette, poste ad una certa distanza tra di loro. L’ordine massimo del filtro è pari a 7. Se si evitano di inserire alcuni condensatori o induttanze (sostituiti con degli spezzoni di filo), si può anche ottenere un ordine del filtro maggiore. Le induttanze sono tutte disponibili in contenitore SMD di tipo 0603. Lo schema elettrico del circuito è visibile in Figura 6, mentre il PCB ad esso associato è mostrato in Figura 7. Il PCB può essere comodamente alloggiato all’interno di un piccolo contenitore di plastica, fissandolo allo stesso tramite delle viti come indicato in Figura 8. I fili relativi ai segnali di ingresso e di uscita sono saldati direttamente sul PCB. La faccia superiore del circuito stampato comprende un piano di massa posto tra i due filtri, mentre la faccia inferiore è interamente riservata al piano di massa.
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2 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 13 luglio 2017
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 14 luglio 2017

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