Een preselector is een afstembaar radiofrequent filter dat tussen de antenne en de gevoelige ingang van een ontvanger staat. Het laat het gewenste frequentiegebied door en verzwakt sterke signalen daarbuiten. Daardoor raken versterker, mengtrap en omzetter minder snel overbelast. Vooral breedbandige SDR-ontvangers profiteren daarvan, omdat digitale filtering pas na de analoge ingang werkt.
De plaats van de preselector in de ontvanger
De preselector hoort zo vroeg mogelijk in de ontvangketen te staan. Een gebruikelijke volgorde is antenne, beveiliging tegen statische ontlading, preselector, eventueel een verzwakker of begrenzer, laagruisversterker, mengtrap of analoog-digitaalomzetter en pas daarna de digitale verwerking. Op die plek houdt het filter ongewenste energie weg bij onderdelen die maar een beperkt ingangsniveau verdragen. Een filter achter de eerste versterker kan de al ontstane overbelasting niet meer herstellen.
Een preselector neemt de taak van het smalle kanaalfilter niet over. Wie een SDR gebruikt om twee megahertz spectrum tegelijk te bekijken, moet die volle breedte zonder sterke amplitude- of faseafwijkingen doorlaten. De latere middenfrequent- of digitale filters kiezen vervolgens het eigenlijke AM-, SSB-, CW- of datakanaal. Een roofingfilter staat meestal na de eerste mengtrap, terwijl een preselector aan de radiofrequente ingang werkt.
Ook een antennetuner is niet automatisch een preselector. De tuner is in de eerste plaats bedoeld om impedanties op elkaar af te stemmen, zodat antenne, kabel en apparatuur goed samenwerken. Sommige afgestemde tunernetwerken onderdrukken tegelijk frequenties buiten hun werkgebied, maar dat effect verschilt sterk per schakeling en instelling. Voor betrouwbare bescherming tegen sterke naburige zenders verdient een filter met gemeten doorlaat- en sperkarakteristiek de voorkeur.
Digitale filtering komt soms te laat
Een SDR kan op het scherm een uiterst smal digitaal filter tonen en toch last hebben van een sterke zender ver buiten dat venster. De antenne levert immers eerst het volledige ontvangen spectrum aan de analoge ingang. Raakt de laagruisversterker, mengtrap of omzetter in compressie, dan ontstaan vervorming, spooksignalen en verlies van gevoeligheid. De software ontvangt daarna slechts een beschadigde cijferstroom en kan het oorspronkelijke zwakke station daar niet meer uit terughalen.
Dit verschijnsel is goed herkenbaar wanneer schijnbare signalen op meerdere plaatsen verschijnen of de ruisvloer stijgt zodra een krachtige omroepzender actief is. Soms lijkt de ontvanger ongevoelig, terwijl de werkelijke oorzaak juist te veel ingangssignaal is. Een kortere antenne of ingeschakelde verzwakker kan de ontvangst dan onverwacht verbeteren. Een goed gekozen preselector pakt dezelfde oorzaak gerichter aan en laat het gewenste frequentiegebied grotendeels ongemoeid.
Selectiviteit heeft een prijs
Doorlaatverlies en ruis
Ieder passief filter verliest een deel van het gewenste signaal. Staat het vóór de eerste laagruisversterker, dan verhoogt één decibel doorlaatverlies de ruisfactor van de ontvanger grofweg eveneens met één decibel. Latere versterking kan die verloren signaal-ruisverhouding niet terugbrengen. Een preselector moet daarom niet zo scherp mogelijk zijn, maar precies genoeg demping leveren om de volgende trap binnen zijn bruikbare bereik te houden.
De benodigde sperdemping volgt uit het werkelijke storingsniveau en de grens van de ontvanger. Komt een ongewenst signaal bijvoorbeeld met min 10 dBm binnen en mag de eerste actieve trap hoogstens min 35 dBm zien, dan is ongeveer 25 dB netto demping nodig, plus een redelijke marge. Extra filtersecties kunnen meer onderdrukking geven, maar voegen verlies, toleranties en afregelwerk toe. Zonder zo’n vermogensbegroting wordt het ontwerp al snel een wedstrijd om de fraaiste meetcurve.
De decibel maakt zulke verhoudingen hanteerbaar, omdat deze een logaritmische schaal gebruikt. De eenheid dB geeft een verhouding tussen twee vermogens of spanningen aan, terwijl dBm een absoluut vermogen ten opzichte van één milliwatt vermeldt. Een verschil van 25 dB betekent dat het ongewenste vermogen ruim driehonderd keer kleiner wordt. Daardoor kunnen zeer uiteenlopende niveaus overzichtelijk in één ontvangbegroting worden geplaatst.
Q-factor, koppeling en filterorde
De geladen Q-factor beschrijft hoe smal een resonator in de werkelijke schakeling is. Hij is gelijk aan de middenfrequentie gedeeld door de bandbreedte bij 3 dB verzwakking. Een hogere waarde geeft een smaller doorlaatgebied, maar alleen wanneer spoelen, condensatoren en koppelingen weinig energie verspillen. De onbelaste Q van de losse onderdelen moet daarom ruim boven de beoogde geladen Q liggen.
Scherpe flanken hangen niet alleen van de Q-factor af. Ook het aantal resonatoren, hun onderlinge koppeling en eventuele transmissienullen bepalen hoe snel de demping buiten de doorlaatband oploopt. Sterke koppeling maakt de band breder en kan twee resonantiepieken geven; zwakke koppeling maakt het netwerk smaller maar gevoeliger voor afwijkingen. Een extra resonator kan veel winst bieden, mits zijn bijkomende doorlaatverlies binnen de ruisbegroting past.
Afstemmen zonder nieuwe vervorming
Een varactordiode maakt snelle elektronische afstemming mogelijk, maar haar capaciteit verandert met de aangelegde spanning. Ook een krachtig radiosignaal veroorzaakt spanning over de diode en kan daardoor vervorming en intermodulatie opwekken. Voor ontvangst met een groot dynamisch bereik werkt een bank vaste C0G-condensatoren vaak rustiger, aangevuld met een varactor voor een klein correctiebereik. Op HF blijft een meervoudige luchtcondensator aantrekkelijk door zijn lage verlies en hoge lineairiteit.
Een ander ontwerp voor ieder frequentiegebied
De afmetingen en verliezen van resonatoren veranderen sterk met de frequentie. Een spoel die op korte golf uitstekend werkt, kan op UHF vooral uit parasitaire capaciteit bestaan. Omgekeerd zijn akoestische chipfilters handig rond mobiele banden, maar niet breed afstembaar over het volledige HF-gebied. Drie frequentiezones vragen daarom om drie verschillende bouwvormen en afstemmethoden.
HF van 0,1 tot 30 MHz
Voor HF is een dubbel afgestemd LC-bandfilter met twee gekoppelde resonatoren een bruikbaar vertrekpunt. Vijf schakelbare spoelbanken en een totale afstemcapaciteit van ongeveer 47 tot 470 pF bestrijken in theorie 100 kHz tot 30 MHz. Getapte spoelen of breedbandtransformatoren voorkomen dat de gebruikelijke 50 ohm de resonatoren te zwaar dempt. Relais zijn hier vaak geschikter dan halfgeleiderschakelaars, omdat snelheid zelden opweegt tegen extra capaciteit en vervorming.
| Bank | Afstembereik | Spoel per resonator | Totale afstemcapaciteit |
|---|---|---|---|
| HF-A | 0,10 tot 0,316 MHz | circa 5,4 mH | 470 tot 47 pF |
| HF-B | 0,316 tot 1,0 MHz | circa 540 µH | 470 tot 47 pF |
| HF-C | 1,0 tot 3,16 MHz | circa 54 µH | 470 tot 47 pF |
| HF-D | 3,16 tot 10 MHz | circa 5,4 µH | 470 tot 47 pF |
| HF-E | 10 tot 30 MHz | circa 0,54 µH | 470 tot 52 pF |
Deze waarden zijn berekende startpunten en nog geen bouwrijp schema. Vooral in de laagste bank tellen windingcapaciteit, kernmateriaal en spoelverlies zwaar mee; boven 10 MHz worden aansluitdraden, schakelcontacten en printsporen deel van het netwerk. Een geladen Q tussen ongeveer 8 en 20 geeft bij 14 MHz een bandbreedte van grofweg 0,7 tot 1,75 MHz. Dat is breed genoeg om af te stemmen zonder dat de preselector het latere ontvangstfilter probeert na te bootsen.
Een derde resonator kan op een drukke locatie extra onderdrukking geven, bijvoorbeeld nabij krachtige omroep- of communicatiezenders. Op een rustige buitenlocatie kan dezelfde toevoeging vooral verlies opleveren, zodat twee resonatoren daar beter uitpakken. Bij gebruik in een zendontvanger moet het ontvangstfilter buiten het zendpad blijven, tenzij alle onderdelen voor het zendvermogen zijn berekend. Kleine condensatoren en dun spoeldraad zijn niet vanzelf geschikt voor honderd watt.
VHF en UHF van 30 tot 600 MHz
Een bereik van 30 tot 600 MHz is te groot voor één LC-filter dat overal dezelfde eigenschappen behoudt. Vier afzonderlijke, driepolige banken beperken het vereiste capaciteitsbereik en houden de componenten dichter bij hun bruikbare frequentie. Vaste condensatoren kunnen digitaal worden bijgeschakeld, waarna een kleine varactor de middenfrequentie corrigeert. De ontvanger kiest de bank op grond van zijn ingestelde frequentie en haalt de bijbehorende waarden uit een kalibratietabel.
| Bank | Frequentiebereik | Nominale spoel | Benodigde totale capaciteit |
|---|---|---|---|
| VU-A | 30 tot 80 MHz | circa 150 nH | 190 tot 27 pF |
| VU-B | 80 tot 180 MHz | circa 68 nH | 58 tot 11,5 pF |
| VU-C | 180 tot 350 MHz | circa 27 nH | 29 tot 7,7 pF |
| VU-D | 350 tot 600 MHz | circa 12 nH | 17,2 tot 5,9 pF |
Bij deze frequenties is de waarde op het zakje nog maar een deel van het verhaal. De kwaliteit van een spoel moet op de werkfrequentie worden beoordeeld, samen met serieweerstand, eigen resonantie en meetgegevens voor de verstrooiingsparameters. In de hoogste bank kan een halve picofarad extra al merkbaar verschuiven waar het filter staat. Schakelcapaciteit, soldeerpads en de behuizing van een onderdeel horen dus in het model thuis.
Een haalbaar doel voor een compacte SDR-bank is ongeveer 1 tot 3 dB doorlaatverlies, met 25 tot 40 dB demping op de werkelijk hinderlijke frequenties. Zulke getallen zijn geen algemene garantie, want spoelkwaliteit, bandbreedte, koppeling en printontwerp bepalen het resultaat. Een professionele vaste installatie kan helical- of cavityresonatoren gebruiken wanneer ruimte minder telt dan verlies en onderdrukking. Voor een kleine ontvanger is een zorgvuldig afgeschermde LC-bank meestal praktischer.
Mobiele en ingebouwde apparatuur van 700 tot 2700 MHz
Tussen 700 en 2700 MHz ligt een bank met vaste akoestische of keramische filters meer voor de hand dan één breed afstembaar LC-netwerk. SAW gebruikt een oppervlaktegolf, BAW een golf in het materiaal en LTCC een meerlaagse keramische structuur. Een meerstandenschakelaar leidt het antennesignaal naar het pad dat bij de gekozen band hoort. Bij gelijktijdig zenden en ontvangen via één antenne scheidt een duplexer beide paden; bij tijdverdeling kan een antenneschakelaar met een afzonderlijk ontvangstfilter volstaan.
De bandindeling moet de werkelijke radiodiensten volgen en zal meestal fijner zijn dan vier brede blokken. Een totaal doorlaatverlies van ongeveer 2 tot 4 dB voor schakelaar, aanpassing en filter kan als eerste begroting dienen, maar de gevoeligheidseis bepaalt de uiteindelijke grens. Rond 2 GHz wegen behuizing, soldeerpads en korte printsporen al mee als inductie en capaciteit. De aanpassing wordt daarom berekend met gemeten onderdeelgegevens en daarna op de gebouwde print gecontroleerd.
Akoestische filters zijn compact en reproduceerbaar, maar hun middenfrequentie, verlies en aanpassing veranderen met temperatuur en montage. LTCC-filters bieden eveneens kleine afmetingen en vaste bandselectie, terwijl de print nog steeds een ongewenste route om het onderdeel heen kan vormen. Geeft het filter zelf 50 dB demping maar koppelt de print ingang en uitgang met slechts 25 dB scheiding, dan meet de ontvanger ongeveer die slechtere waarde. Afstand en afscherming zijn daardoor elektrische onderdelen van het ontwerp.
Afstemming en automatische regeling
Handmatige afstemming met een gekoppelde luchtcondensator is eenvoudig, goed lineair en prettig bij een HF-ontvanger die langzaam van band wisselt. Een motor met encoder kan dezelfde condensator automatisch positioneren zonder de radiofrequente eigenschappen sterk te veranderen. Varactors schakelen veel sneller, maar vragen een schone regelspanning en een zorgvuldige controle op intermodulatie. Digitaal geschakelde condensatorbanken leveren vaste, herhaalbare standen en passen goed bij een ontvanger die zijn ingestelde frequentie elektronisch doorgeeft.
Een microcontroller kan uit de ontvangstfrequentie eerst de juiste filterbank kiezen en daarna een opgeslagen afstemwaarde laden. Die tabel wordt beter uit metingen opgebouwd dan uitsluitend uit de theoretische resonantieformule, omdat toleranties en parasitaire effecten per print verschillen. Tijdens productie kan een bekend testsignaal worden aangeboden, waarna de regeling rond de verwachte stand naar maximale transmissie zoekt. Het gevonden punt wordt per frequentie en eventueel per temperatuur opgeslagen.
De keuze van de schakelaar hangt eveneens van de band af. Een klein relais is langzaam maar lineair en heeft weinig capaciteit in uitgeschakelde toestand, wat goed past bij HF. PIN-diodes verdragen sterke radiofrequente signalen en schakelen snel, al vragen ze biasstroom en ontkoppeling. Halfgeleiderschakelaars op silicium-op-isolatorbasis (SOI) of galliumarsenide (GaAs) zijn compact voor VHF tot in het gigahertzgebied, maar hun weerstand, capaciteit, isolatie en derde-orde-intercept moeten in de berekening worden meegenomen.
Bescherming en printontwerp
Statische beveiliging, een verzwakker en een begrenzer lossen elk een ander probleem op. De eerste voert korte elektrostatische pulsen af, de tweede verlaagt alle ingangssignalen op een beheerste manier en de derde begrenst incidenteel hoog vermogen. Een diodebegrenzer wordt tijdens ingrijpen zelf sterk niet-lineair en kan harmonischen en mengproducten maken. Hij is daarom geschikt als noodrem voor de laagruisversterker, niet als permanente oplossing voor een druk frequentiespectrum.
Vanaf VHF verdient de fysieke scheiding tussen filterinvoer en filteruitvoer evenveel aandacht als het schakelschema. Een ononderbroken massavlak, korte verbindingen, geaarde coplanaire transmissielijnen en rijen massadoorgangen beperken ongewenste koppeling. Digitale kloklijnen en regelsporen horen niet langs hoogohmige resonatorknooppunten te lopen. Metalen afschermkappen of afzonderlijke compartimenten voorkomen dat een sterk signaal simpelweg door de lucht of via de voeding om het filter heen reist.
Onderdeelkeuze vraagt om gegevens op de werkfrequentie, niet alleen om de nominale waarde. Voor condensatoren bieden C0G- of NP0-typen doorgaans lage verliezen en geringe temperatuurafhankelijkheid. Bij spoelen tellen Q, serieweerstand en eigen resonantie mee; onder ongeveer 1 MHz kan een grotere lucht-, ferriet- of poederkernspoel beter werken dan een klein chiponderdeel. Connectoren, kabels en de metalen behuizing moeten tijdens metingen dezelfde vorm hebben als in het uiteindelijke apparaat.
Meten als onderdeel van het ontwerp
Doorlaat, aanpassing en fase
Een tweepoorts vectornetwerkanalysator (VNA) laat zien hoeveel signaal het filter doorlaat, terugkaatst en tegenhoudt. De kalibratie moet zo dicht mogelijk bij de aansluitpunten van de proefprint liggen, anders worden kabel- en adapterfouten aan het filter toegeschreven. Meet niet alleen het midden van de doorlaatband, maar ook de flanken, een ruim stuk van de sperband en de groepsvertraging. Brede digitale modulatie kan last krijgen van fasevervorming, ook wanneer de amplitudecurve er netjes uitziet.
Een afstembare bank moet op meerdere standen worden gemeten, waaronder beide uiteinden en enkele punten ertussen. Noteer per stand de middenfrequentie, 3 dB-bandbreedte, doorlaatdemping, ingangsaanpassing en demping op bekende storingsfrequenties. Bij hoge sperdemping kan directe koppeling tussen kabels of connectoren de meetvloer bepalen. Een afgeschermde proefopstelling en een controlemeting zonder filter helpen onderscheiden wat uit het netwerk komt en wat uit de meetbank lekt.
Intermodulatie en overbelasting
Een tweetoontest beoordeelt of schakelaars, varactors of versterkers nieuwe signalen vormen. Twee schone bronnen leveren frequenties f1 en f2 via verzwakkers en een lineaire combiner aan het filter en de ontvanger. Derde-ordeproducten verschijnen onder meer op 2 maal f1 min f2 en 2 maal f2 min f1, vaak dicht bij het gewenste kanaal. De bronnen moeten goed van elkaar zijn geïsoleerd, anders meet men vervorming van de meetopstelling in plaats van die van het apparaat.
De blockertest sluit nog beter aan bij dagelijks gebruik. Eerst wordt de gevoeligheid met één zwak gewenst signaal vastgesteld; daarna komt er een sterk ongewenst signaal bij op verschillende afstanden van de ontvangstfrequentie. Het niveau stijgt tot de gevoeligheid, de verhouding tussen signaal, ruis en vervorming (SINAD) of de foutkans aantoonbaar verslechtert, bijvoorbeeld met 1 of 3 dB. Door dezelfde proef met en zonder preselector uit te voeren, wordt zichtbaar hoeveel bruikbaar dynamisch bereik het filter werkelijk toevoegt.
| Proef | Te meten eigenschap | Bruikbaar beoordelingspunt |
|---|---|---|
| Netwerkanalyse | Doorlaat, reflectie, bandbreedte en groepsvertraging | Eisen per bank en modulatie |
| Tweetoontest | Intermodulatie van filter en volledige ontvanger | Geen nieuw storend product in het ontvangstkanaal |
| Blockertest | Verlies van gevoeligheid bij een sterke stoorzender | Minder dan 1 of 3 dB bij het gekozen profiel |
| Vermogensproef | Compressie, begrenzing en herstel | Onderdelen blijven binnen hun grenswaarden |
| Temperatuurproef | Verschuiving van frequentie, verlies en bandbreedte | Kalibratie en marges dekken het gebruiksgebied |
| Afschermproef | Verschil tussen open en gesloten behuizing | De print vormt geen dominante omweg |
Keuze per toepassing
De drie bouwvormen laten zich niet zinvol tot één universeel filter samenvoegen. HF vraagt vooral om spoelkwaliteit, mechanische afstemming en een groot capaciteitsbereik. Bij 30 tot 600 MHz verschuift de aandacht naar schakelcapaciteit, printparasieten en kalibratie per subband. Boven 700 MHz bieden vaste akoestische of keramische filters meestal een betere combinatie van afmetingen, herhaalbaarheid en bandselectie.
| Toepassing | Filtervorm | Afstemming | Richtwaarde doorlaatverlies |
|---|---|---|---|
| HF, 0,1 tot 30 MHz | Twee gekoppelde LC-resonatoren in circa vijf banken | Luchtcondensator, motor of geschakelde capaciteit | 0,6 tot 2,5 dB |
| VHF/UHF, 30 tot 600 MHz | Driepolige LC-filterbank in vier subbanden | Vaste schakelcondensatoren met kleine varactorcorrectie | 1 tot 3 dB |
| Ingebouwd, 700 tot 2700 MHz | Bank met SAW-, BAW- of LTCC-filters | Keuze van een vast filterpad | 2 tot 4 dB voor de keten |
De richtwaarden zijn ontwerpdoelen, geen prestaties die zonder prototype kunnen worden beloofd. Het juiste filter volgt uit de sterkste te verwachten stoorzenders, de toegestane ruisverslechtering, de gewenste ontvangstbreedte en de grenzen van versterker, mengtrap en omzetter. Ook formaat, temperatuurgebied en gebruik als ontvanger of zendontvanger veranderen de uitkomst. Pas een meting aan de volledige ontvangketen maakt duidelijk of de gekozen verhouding tussen verlies en onderdrukking klopt.
Conclusie
Een preselector geeft vooral winst wanneer sterke signalen buiten de gekozen band de analoge ingang belasten. Op HF past meestal een dubbel afgestemde LC-bank, voor een breedbandige VHF/UHF-SDR werken meerdere elektronisch gekozen LC-banken beter, en in mobiele apparatuur liggen vaste SAW-, BAW- of LTCC-paden voor de hand. De beste uitvoering levert voldoende sperdemping zonder meer doorlaatverlies toe te voegen dan de ontvanger kan dragen. Digitale scherpte begint daarmee bij een zorgvuldig analoog voorportaal.
De bruikbare maatstaf is niet de mooiste losse filtercurve, maar de verbetering van de complete ontvanger onder dezelfde stoorcondities. Een ontwerp dat op papier 50 dB onderdrukt kan door printkoppeling, verkeerde aanpassing of een niet-lineaire afstemdiode veel minder presteren. VNA-metingen, tweetoontests en blockertests horen daarom bij de bouw, net als spoel en condensator. Zo wordt de preselector een aantoonbare bescherming van het dynamisch bereik en geen extra knop met een geruststellend opschrift.
Bronnen en meer informatie
- Rudersdorfer, Ralf (2014). Radio Receiver Technology: Principles, Architectures and Applications. Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-50320-1.
- Pozar, David M. (2011). Microwave Engineering. Fourth Edition. Hoboken: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-63155-3.
- Bowick, Christopher, John Blyler en Cheryl Ajluni (2008). RF Circuit Design. Second Edition. Oxford: Newnes. ISBN 978-0-7506-8518-4.
- Zverev, Anatol I. (1967). Handbook of Filter Synthesis. New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-98680-5.
- Rouphael, Tony J. (2008). RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio. Oxford: Newnes. ISBN 978-0-7506-8210-7.
- Gu, Qizheng (2005). RF System Design of Transceivers for Wireless Communications. New York: Springer. ISBN 978-0-387-24161-6.
- International Telecommunication Union (2013). Test procedure for measuring the 3rd order intercept point (IP3) level of radio monitoring receivers. Recommendation ITU-R SM.1837-1.
- International Telecommunication Union (2011). Parameters of and measurement procedures on HF/VHF/UHF monitoring receivers and stations. Report ITU-R SM.2125-1.
