Homemade Tuneable Crystal Filter
It takes only 4 crystals to build a tuneable crystal filter.
Rolf Heine, DL6ZB


German:

Das hier beschriebene Quarzfilter ist in seiner Bandbreite abstimm- und kaskadierbar. Das Filter hat eine niedrige Impedanz und kann daher in 50-Ohm-ZF-Verstärkern verwendet werden.
Eine besonders gute Filterleistung erhalten Sie, wenn Sie diesen Filter kaskadieren, was dank der 50-Ohm-Technik möglich ist.

Die Einfügungsdämpfung beträgt etwa 3 dB, die Welligkeit etwa 1 dB, wenn impedanzrichtig abgeschlossen wird.

Bandbreite, Welligkeit und Dämpfung hängen von den angeschlossenen Impedanzen von Mischern und Verstärkern ab. Wie bei jedem Filter ist eine gute Impedanzanpassung zwingend erforderlich. Ein Impedanztransformator von 50 auf 100 Ohm kann dazu beitragen, Einfügedämpfung und Welligkeit über den gesamten Bandbreitenabstimmbereich zu reduzieren.

Bei Bandbreitenabstimmung im Modus "USB" (Träger unterhalb des Filters) bleibt die Mittenfrequenz des Filters bei etwa 700 Hz vom Träger entfernt, was für den CW-Betrieb ein Vorteil ist.

Es werden für ein Filtersegment, wie im Schaltplan gezeigt, vier Quarze mit gleichen Frequenzen verwendet. Die Genauigkeitsanforderungen an die Quarze sind nicht besonders hoch. Sie können dieses Filter auch auf anderen Frequenzen als den hier beschriebenen verwenden. Dann ändern sich jedoch Impedanz und mögliche Bandbreiten. Wird eine Mittenfrequenz von 5 MHz angestrebt, dann ist SSB-Empfang kaum mehr möglich, weil sich die maximal mögliche Bandbreite dann auf etwa 1,8 kHz reduziert. Dafür verringert sich die minimal mögliche Bandbreite auf bis zu 300 Hz.

Die Quarzfrequenzen so um die 10 MHz empfand ich als am geeignetsten, da dadurch auch eine Bandbreite von 3 kHz für den SSB-Empfang möglich ist und etwa 0,6 kHz für den Schmalband-CW-Empfang. Mit sinkender Bandbreite steigt die Impedanz des Filters auf bis zu 200 Ohm.

Eine Besonderheit besteht darin, dass hier Zenerdioden als Abstimmelemente verwendet werden. Diese eignen sich überraschend gut als Ersatz für teurere und schwierig zu findende Varaktordioden. Die Einfügungsdämpfung erhöht sich im Vergleich zu "echten" Varaktordioden nicht wesentlich, die Abstimmbandbreite bleibt nahezu gleich und die Welligkeit ist für ein Filter dieser Klasse gut. Ich habe BZX85C15 Zenerdioden verwendet. Es gibt viel Spielraum für Experimente, um herauszufinden, welche Dioden für diesen Zweck am besten geeignet sind. Vermeiden Sie Spannungen, die die Sperrdurchbruchspannung der Zenerdioden überschreiten.

Zener-Dioden bieten überraschenderweise eine erhebliche Kapazität, die der von Varaktordioden ähnelt. Je kleiner die Spannung, desto schmaler die Bandbreite, da alle Quarzzweige nahezu dann die gleiche Frequenz aufweisen. Die Bandbreite ist maximal, während der Einfügungsverlust minimal ist, wenn die Spannung auf das Maximum eingestellt ist. Ich stimme bis zur Betriebsspannung von etwa 12 Volt ab. Dann hat das Filter bei 10 MHz eine Bandbreite von ca. 4 kHz. Bei 0 Volt sind es noch 600 Hz.

Im Vergleich zu einem 4-Pol-Ladder-Filter ist die Leistung etwas schlechter, was im praktischen Funkbetrieb jedoch aus meiner Erfahrung kaum spürbar ist.
English:

The quartz filter described offers a tunable bandwidth. It is cascadeable for higher filter orders. The filter has low impedance so it can be used in 50 ohm IF amplifiers.


You get particularly good filter performance if you cascade this filter which is possible thanks to the 50 ohms technique.

The insertion loss is about 3 dB, the ripple is about 1 dB. Bandwidth, ripple and attenuation depend on the attached impedances of mixers and amplifiers. Good impedance matching is mandatory as with every filter. A 50 to 100 ohms impedance transformer may help to reduce insertion loss and ripple over the full bandwidth tuning range.

The filter center frequency remains at about 700 Hz from the carrier if bandwidth-tuned which is almost perfect for CW operation (USB mode, carrier below filter frequency).

Four crystals with the same frequencies are used. The accuracy requirements of the crystals are not special. You can also use these filter on other frequencies than described here. I found the filter center frequency around 10 MHz to be the most suitable, as it also leaves a 3 kHz bandwidth for SSB reception and around 0.6 kHz as suitable for filtered CW reception.

A special feature is that Zener diodes are used here as tuning elements. This works quite well as a replacement for expensive and rarely available varactor diodes. The insertion loss does not increase significantly compared to varactor diodes, the tuning bandwidth is almost the same and the ripple is good for a filter of this class. I used BZX85C15 zener diodes. There's plenty room for experimenters to find out which diodes are best for this purpose. Avoid exeeded voltages above the reverse breakdown voltage of the Zener diodes.

Zener diodes surprisingly offers a significant capacitance similar to that of varactor diodes. The smaller the voltage the narrower the bandwidth because all crystals branches do have the almost the same frequency. Bandwidth is maximal while insertion loss is minimal when the voltage is tuned to maximum which is about 12 volts here, vice versa when the voltage is dropped all the way down to zero.


Compared to a 4-pole ladder filter the performance is slightly worse, although this is hardly noticeable in practical radio operation.

Circuit diagram:

Tuneable Crystal Filter



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