自製高 q 值空腔濾波器
http://www.x-net.idv.tw/bv3fg/cqm/33/33039.htm前言
由 70 年代初期到 80 年代中期的十多年間，是香港 vhf/uhf 電信事業飛躍發展的黃金時期，尤其是中小型企業單位，更是人才與錢財大豐收的年代。在電信事業中，移動通信和無線電尋呼的發展最為蓬勃，筆者有幸 (也可能是不幸 )！適逢其會，在自願或被迫的情況，多多少少掌握了一些無線電通信的硬體技術。
而在 70 年代以前，香港的移動通信事業都被幾家大洋行所壟斷，vhf 通信機的機價、維修費、交貨期，都十分不合理。而由 60 年代開始起飛的香港中小企業很多，對交通運輸需求迫切，進而促使移動無線通信的發展。眼看大洋行的高額利潤，誘發很多工程技術人員出來創業，使香港的電信事業翻開新的一頁。
有競爭才有進步，針對大洋行的缺點，這批創業先鋒一般採用幾個方針：
從日本進口無線電機，價錢就比歐美產品便宜一大半 (當時 1 美元兌 450 日元以上 )。
加強服務並縮短維修期及系統調試期。
自製電源供應器、天線、濾波器、遙控器、頻率合成器，以能儘量減低成本來爭取顧客，還有一個很重要的因素 -- 縮短交貨期。
在上面第三點中的濾波器，是當時的 vhf 移動通信所必需的，因為當時的商業通信頻段多集中在 140-170mhz 之間，並且將移動通信及無線電尋呼頻率混雜在一起 (與現時廣州及上海等地很相似 )。
由於無線電尋呼電台的發射機數量多、分佈在城市的各個角落、24 小時開機 on air、功率特大，因此，對於移動通訊的干擾十分嚴重，加上早期又沒有強制規定尋呼發射機在輸出端加入 isolator circulator，因而產生強烈互交調制，造成極大的無線電污染。當時每個使用頻譜分析儀觀看 150mhz 頻率左右的人，都會被那些雜亂無章的干擾訊號嚇一大跳。
而在移動通信系統中的汽車台，由於天線位置偏低以及可以選擇通信地點的特性，此一干擾狀況還可勉強忍受，但基地台就無處可躲了，一開機就是噪音，比現時 7060khz 還嚴重。在這種情況下，就唯有加入濾波器來解決此問題 (但亦不能保證百分之百 ok)。
「空腔濾波器」能有效排除干擾
在眾多濾波器中，經過長期試驗，只有「空腔濾波器」 (cavity filter)，以其較高的 q 值、較窄的通頻帶、以及能夠容許大功率通過的特性，才能較有效地排除干擾 (其實各參考書中早有此結論 )。
當時美製 4 吋直徑，頻寬 140-170mhz 的 cavity band pass filter，一組單價超過 300 美元 (現在也差不多，但不包括運費 )；而有些洋行則向基地台收取 600 美元以上，所以當時的中小型電訊公司自己訂貨回來，以 400 多美元的價錢販售，便可爭取大量生意。但無論是誰，都受到美國廠方兩、三個月交貨期之困擾。另一方面，尋呼機業務發展越來越火熱，電波干擾也就更大，進而增加空腔濾波器的需求量。
在眾多因素影響之下，我們唯有硬著頭皮去嘗試仿製 cavity filter，在經過若干個晝夜試驗，與若干次失敗後，最後雖算是仿製成功，但卻不能完全達到廠製品的標準，其中主因大功率通過而引起的溫度問題未能解決。美製 filter 一般可通過 150w 左右的 fm 連續功率，而仿製品則只可通過 80w，再大則造成嚴重溫升及損耗。
到此地步，我們已經無心再試驗下去，因為：
大多數基地台的輸出功率都小於 50w fm 間斷功率 (法定為 25w。
改良機械結構及電鍍工藝會使成本上漲及製作週期延長。
各人工作繁忙。
仿製的空腔濾波器經多次在移動通訊系統使用後，基本上都可解決問題，這就成為我們當時的一個秘密武器。
現在向大家介紹的空腔濾波器，卻又不是上述的仿製品方案，因為該種方法要動用車床及燒鋁銲，相信不是大多數業餘無線電 om 所能應付的。這個 cavity filter 的自製方法，是我們最早試驗的方法之一，材料十分容易找到，最重要的是加工方便，而其效果亦能解決大部份的 2 米波干擾。
高頻濾波器的工作原理和干擾訊號的情況
在討論實際製作之前，我們先來探討高頻濾波器的工作原理和干擾訊號的情況：
圖 1：在正常範圍內， 甲、乙台可以互相收到訊號但是在甲、乙中間位置的丙台用同一頻率發射訊號，只需 1/4 的功率 (6.25w)， 就可構成干擾。
大部分的 2 米通訊都是 fm 模式，而 fm 電波在發射時，高頻功率基本上是恆定的；例如當甲台發射訊號給乙台接收時，無論甲台是否向 mic 講話，只要一按發射，就有固定的功率出去；以 25w 功率為例，在正常範圍內，甲、乙台可以互相收到彼此的訊號；但是，如果在甲、乙之中間位置有一丙台用同一頻率發射訊號，無論是有意或無意，根據電場密度計算，他只需 1/4 的功率 (6.25w)，就可構成干擾；如果丙台亦是 25w 時，則甲與乙台就極難通訊了。同理，只有當甲、乙台的發射功率各增加 4 倍，即 qro 到 100w，才有可 能開始 qso( 但也不能排除丙的 qrm 干擾 )，如圖 1。因此，在 fm 模式的情形下，同一頻率的刻意干擾，在技術上而言是很難排除的，即使加入大烏龜 (功率放大器 )，成效並不顯著。這是 dx 通訊不鼓勵用 fm 而用 ssb 模式的原因之一，因為 ssb 在講話時才有功率發射，相信丙台的干擾源不會有這麼久的耐性，去搞這種損人不利己的行為。
圖 2：污染電波主；要源自發射機之間的互交調制。
上述人為干擾並不是人多數城市的 qrm 來源，實際上，污染電波主要源自發射機之間的互交調制，因為城市中的商用 vhf 波段多在 132~174mhz 範圍內，而商業電台的天線和發射機又經常十分靠近，例如 a 台 (147mhz) 與 b 台 (140mhz) 在正常時不曾產生干擾，但是任何發射機都會有二次或以上的諧波產生，所以 a 台就存在 147x2=284mhz 的訊號；如果 a 台在天線與發射機之間沒有加入空腔濾波器 (香港規定要加入 )，則 284mhz 訊號會經天線發射出去，而進入鄰近的 b 台去。如圖 2。
如果 b 台同樣在天線與發射機間也沒有加入空腔濾波器時，則 284mhz 就交連到 b 台末級功率晶體管去，由於晶體管有混頻功能，因此，284mhz 就會與 b 台原來的 140mhz 混頻，結果便差出 284 - 140 = 144mh2 來 (還有 284 + 140 =424mhz)，這個 144mhz 的功率雖然不大，但亦往往有幾百毫瓦 (約 500mw)；這在方圓 1~2 公里範圍內所構成的 qrm 是相當嚴重的。
這種干擾是成對地差頻出現的，這些成對頻率說多不多，說少亦不少，但在世界上很多城市裡亦能容忍，因為如果上述 a、b 兩台都是交通運輸或保安業務的移動通信時，不可能經常都 a、b 兩台同時發射訊號吧，因此產生的 144mhz 干擾就不那麼頻繁。
可惜在十多年前的香港或現在的廣州上海等地，市內有數百上千的傳呼發射機在 24 小時發射訊號，互交調制干擾的出現便成為必然了。而且由於上述發射機是分佈於城市每一角落，因此，2 米波的業餘電台就很難倖免。
由 1991 年之後，香港的尋呼業務經將頻率遷移到 172mhz 及 280mhz，理應全無 qrm。但實際上，干擾仍然存在，尤其是手機的情況，更為嚴重，車機與座台機則視地點而定。這種情況則與現在商品化的 2 米波業餘收發機的接收前端 (front end) 有關。
圖 3：高頻之間的選擇性，大多只能通過改變加在變容二極體上的電壓來進行。
2 米波業餘收發機由於希望接收範圍寬闊，許多機器的標稱範圍在 130~170mhz 內，有的甚至更寬，接收機的選台功能 (選擇性 )，就幾乎完全落在中頻放大器及濾波器上，而高頻部分的選擇性，大多只能通過改變加在電容二極管上的電壓來進行，如圖 3；而這諧振電路的 q 值是很有限的。同時，很多手機為了減輕重量及體積，在高頻放大級又沒有良好的金屬隔離殼，極易引起下面的干擾：
圖 4：鏡頻干擾。
鏡頻干擾： 當您的接收機要收聽 144.500mhz 的訊號時，為了要差頻出 10.7mhz( 或 16.9mhz 21.4mhz 等 )的中頻訊號，機內的本地振盪級 (local osc) 就必須產生一個 165. ． 2mhz 的訊號 (165.2- 144.5=10.7mhz)。但是，如果機器的高頻選擇性不夠好，附近若有 175.9 或 170.55mhz 的電台在發射，您的電台必受干擾，因為：175.9 - 165.2 = 10.7mhz；170.55 - 165.2 = 5.35mhz，而 5.35x2 = 10.7mhz；當 175.9 或 170.55 訊號衝破高頻選擇電路後，無論機器的中頻放大器如何優良，濾波器如何尖銳，都不可避免受到干擾。
鏡頻干擾由於亦需成對的頻率，並與 144-146mhz 訊號有差頻因素的發射機發射才形成 qrm，因此干擾也不算太嚴重。如圖 4。
