كيف يكبح مرشح LC منخفض التمرير التوافقيات الناتجة عن مُضخِّم القدرة الراديوية؟

تُعزِّز مضخِّمات طاقة الراديو (RF) قوة إشارة الراديو المرغوبة، لكنه لا يوجد مضخِّم عمليٌّ يكون خطيًّا تمامًا. وعندما يُدار الترانزستور بالقرب من حالة الانضغاط، فإن سلوكه غير الخطي يولِّد توافقيات عند مضاعفات التردد الأساسي الصحيحة. فعلى سبيل المثال، قد يولِّد جهاز الإرسال العامل عند تردد ١٠٠ ميغاهيرتز طاقةً غير مرغوبٍ فيها عند ترددين ٢٠٠ ميغاهيرتز و٣٠٠ ميغاهيرتز وأعلى من ذلك. وإذا وصلت هذه التوافقيات إلى الهوائي، فقد تتسبَّب في حدوث تداخل كهرومغناطيسي، أو تنتهك حدود الإشعاع المسموح بها، أو تقلِّل الكفاءة الطيفية، أو تؤثِّر على أجهزة الاستقبال المجاورة.

مرشح تمرير منخفض من نوع LC يُعَدُّ أحد أكثر الحلول عمليةً. ويتكوَّن هذا المرشح من ملفات حثية ومكثفات، فيسمح بمرور التردد الأساسي المطلوب مع توهين الإشارات التي تزيد ترددها عن تردد القطع الخاص به. ويُركَّب هذا المرشح عادةً مباشرةً بعد مكبِّر القدرة الراديوي (RF) في وحدات الترددات الراديوية، وأجهزة الإرسال الراديوية، ومعدات القياس عن بُعد، وأنظمة الرادار الفرعية، والمحطات الساتلية، وأجهزة الاختبار، ومنصات الاتصالات اللاسلكية المخصصة.

لماذا تُولِّد مكبِّرات القدرة الراديوية (RF) ترددات تألفية؟

لو كان المكبِّر خطيًّا تمامًا، لكان قد أعاد إنتاج شكل الموجة الداخلة عند قدرة أعلى دون تغيير في هيئتها. أما الأجهزة الراديوية الحقيقية، فهي تظهر سلوكًا غير خطيٍّ في الكسب، وفي سعة الوصلات، وفي تغير التحيُّز، وفي حالة التشبع. ومع ازدياد القدرة الخارجة، يزداد تشوُّه شكل الموجة، ويظهر هذا التشويه في مجال التردد على هيئة ترددات تألفية.

يحدث التوافقي الثاني عند ضعف تردد الحامل، والتوافقي الثالث عند ثلاثة أضعاف تردد الحامل، وهكذا دواليك. وتعتمد مستويات هذه التوافقيات على تكنولوجيا الترانزستور، وفئة المضخم، ونقطة التحيُّز، وقوة الخرج، وتطابق المعاوِمة، والتنميط. ويمكن للمضخمات ذات التبديل أو المضغوطة بشدة أن تحقق كفاءة عالية، لكنها عادةً ما تتطلب مرشحات توافقيات أكثر فعالية.

كما يمكن أن تؤدي التوافقيات إلى استجابات خاطئة في أنظمة القياس، أو أن تنتقل تداخلًا إلى قنوات الملاحة أو الاتصالات، أو أن تزيد من الإجهاد الواقع على المكونات اللاحقة. ولذلك، ينبغي اعتبار كبت التوافقيات جزءًا لا يتجزأ من تصميم خرج المضخم.

كيف يعمل مرشح تمرير منخفض LC

يستخدم مرشح تمرير منخفض LC السلوك الترددي المعاكس للمقاومات الحثية والمكثفات. إذ تزداد المقاومة الحثية مع ازدياد التردد:

XL = 2πfL

بينما تقل المقاومة السعوية مع ازدياد التردد:

XC = 1/(2πfC)

في التوصيل النموذجي، تُقاوم الملفات المتسلسلة التيار التوافقي عالي التردد، بينما توفر المكثفات المتوازية مسارًا منخفض الممانعة يحوِّل الطاقة غير المرغوب فيها نحو الأرض. وعند التردد الأساسي، تُختار القيم بحيث تبقى خسارة الإدخال منخفضةً ما يسمح للمضخِّم بنقل الطاقة بكفاءة إلى الحمل.

فوق تردد القطع، تزداد التوهين وفقًا لعدد الأقسام التفاعلية والاستجابة المختارة للمرشح. وتوفِّر الشبكة ذات الرتبة الأعلى انتقالًا أكثر حدةً عندما يكون أول توافقي غير مرغوب فيه قريبًا نسبيًّا من نطاق التمرير المطلوب.

اختيار تردد القطع

يجب أن يكون تردد القطع مرتفعًا بما يكفي لتمرير الإشارة المرغوبة وعرض نطاق تعديلها، ومنخفضًا بما يكفي لتضعيف أدنى توافقي مهم. ففي حالة حامل ضيق النطاق عند ١٠٠ ميجاهرتز، يمكن وضع تردد القطع فوق عرض نطاق القناة المشغولة وبدرجة كبيرة تحت التوافقي الثاني عند ٢٠٠ ميجاهرتز.

بالنسبة للأنظمة المُعَدَّلة، يجب على المصمِّمين أخذ النطاق الترددي المشغول بالكامل، والقناع الطيفي، وتسامح التردد في مرحلة الإنتاج، والانجراف الحراري بعين الاعتبار. فقد يؤدي وضع تردد القطع قريبًا جدًّا من النطاق المرغوب إلى تشويه محيط الإشارة، وتدهور مقدار الخطأ المتجهي (EVM)، وزيادة القدرة المنعكسة. كما أن وضع تردد القطع مرتفعًا جدًّا قد لا يوفِّر درجة كافية من إضعاف التوافقيات.

تشمل مدخلات تصميم الفلتر المهمة ما يلي:

• التردد التشغيلي الأساسي
• عرض نطاق الإشارة المشغول
• أقصى قدر من القدرة الراديوية الخارجة
• التخفيف المطلوب للتوافقيين الثاني والثالث
• أقصى خسارة إدخال مقبولة
• مقاومة المصدر ومقاومة الحمل
• نطاق درجة حرارة التشغيل
• أبعاد الحزمة
• واجهة الموصل أو التركيب السطحي أو الثقوب المُثبَّتة عبر اللوحة

يجب تحديد هذه المعاملات قبل اختيار فلتر قياسي أو تطوير شبكة LC مخصصة.

ترتيب الفلتر والاستجابة

يحدد ترتيب الفلتر مدى السرعة التي تزداد بها التوهين وراء تردد القطع. ويمكن أن يحسّن كل مكوّن تفاعلي إضافي منحنى الانحدار، لكنه يُدخل أيضًا خسائر إضافية وحساسية أكبر للتغيرات في قيم المكونات والتكاليف وتعقيد تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

توفر استجابة باترورث نطاق تمرير مستوي بأقصى درجة، وهي مفيدة عندما تكون الاستقرار في سعة نطاق التمرير أمرًا بالغ الأهمية. وتوفّر استجابة تشيبيشيف انتقالًا أكثر انحدارًا لترتيب معطى للفلتر، لكنها تُدخل اهتزازًا مُتحكَّمًا في نطاق التمرير. أما استجابة الإهليلجية فتستطيع إنشاء أصفار انتقال ورفضًا حادًّا للغاية، رغم أنها أكثر حساسية لتغيرات قيم المكونات والتأثيرات الجانبية غير المرغوب فيها.

في حالة كبح التوافقيات لمضخِّمات القدرة في مجال الترددات الراديوية (RF)، فإن الحل الأمثل ليس بالضرورة الشبكة ذات الترتيب الأعلى. فالتصميم الأمثل يوازن بين رفض التوافقيات، وفقدان الإدخال، وإجهاد الجهد، وقدرة التحمّل على التيار، وسهولة التصنيع، والحجم الفيزيائي، واستقرار المضخِّم.

في العديد من المرسلات العملية، يوفّر مرشح تمرير منخفض LC ذي ثلاث إلى سبع أقطاب حلًّا فعّالًا يوازن بين أداء الرفض وتعقيد التنفيذ.

قدرة التحمّل على الطاقة، معامل الجودة (Q)، واختيار المكوّنات

حسابات المرشح للإشارات الصغيرة ليست سوى البداية. فعند مخرج مُضخِّم القدرة الراديوي (RF)، قد تتعرّض الملفات والمحاثات لتيارات وفولتية راديوية كبيرة جدًّا. وقد تؤدّي المكوّنات ذات التصنيفات غير الكافية إلى ارتفاع درجة الحرارة أو انحراف التردد أو التشبع أو التشقّق أو الفشل.

يؤثّر معامل جودة الملف (Q) تأثيرًا كبيرًا في فقد الإدخال. إذ يخزّن الملف عالي الجودة الطاقة مع خسائر مقاومية أقل، ما يساعد في الحفاظ على كفاءة المرسل. أما المكثفات، فيجب أن توفر مقاومة متسلسلة معادلة منخفضة، وسعة ثابتة، وخصائص عازلة مناسبة للترددات الراديوية، وهامش جهد كافٍ.

يجب أن تأخذ قيمة جهد التصنيف في الاعتبار عدم تطابق المعاوقة والموجات الراكدة، وليس فقط شرط التشغيل الاسمي البالغ ٥٠ أوم. وفي حالة عدم تطابق هوائي ضعيف، قد يصبح جهد التردد اللاسلكي الذروي داخل الفلتر أعلى بكثير مما هو متوقع.

وتُعد تحمل المكونات عاملاً آخر مهمًا. ويمكن أن تؤدي التغيرات في الحث والسعة إلى تغيير تردد القطع ونقاط رفض التوافقيات. كما يمكن أن تؤدي الانحرافات الحرارية، والتأثيرات الجانبية للوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، والسعة الناتجة عن مناطق اللحام، والتحريض الناتج عن المسارات، وتأثيرات الغلاف إلى تغيير الاستجابة المقاسة بشكل إضافي.

وبالنسبة للمرشحات المدمجة العاملة عند الترددات الأعلى، فإن المحاكاة الكهرومغناطيسية وتحليل التحمل أمران ضروريان لضمان أن الوحدات المنتجة تفي بالمواصفات المستهدفة.

توفر شركة RSWave مرشحات RF LC بتكوينات منخفضة التمرير، وعالية التمرير، وتمرير النطاق، ووقف النطاق. ويدعم نطاق منتجاتها الهياكل المدمجة للتركيب على سطح اللوحة (SMT) والتركيب عبر الثقوب (Through-hole)، كما يمكن تطوير متطلبات مخصصة تتعلق بالتردد، والتخفيض، والتعبئة، والواجهة لتطبيقات أنظمة RF المتخصصة.

تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) والتوصيل بالأرض

عند الترددات الراديوية (RF)، تصبح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) والغلاف جزءًا من دائرة المرشح. فتُضيف المسارات الطويلة محاثة غير مرغوب فيها، وتُدخل مساحات تركيب المكونات سعة كهربائية، وقد يؤدي التوصيل السيئ بالأرض إلى خفض كبير في درجة التخفيض في نطاق الإيقاف.

يجب تركيب مرشح LC في أقرب مكان ممكن من مخرج مكبر القدرة (Power Amplifier). ويجب أن تكون التوصيلات قصيرة، ومُتحكَّمًا في مقاومتها الكهربائية، ومُرجَّعة إلى مستوى أرضي مستمر.

تتطلب المكثفات المتوازية مسارات أرضية منخفضة الحث. وينبغي وضع فتحات توصيل بالأرض (Vias) متعددة بالقرب من لوحة كل مكثف لكي يعود التيار عالي التردد بكفاءة. وقد يؤدي المسار الطويل بين المكثف والأرض إلى منع المكوّن من تقديم التخفيف المتوقع للتوافقيات.

كما ينبغي فصل المسارات الداخلة والخارجة جسديًّا. وعند توجيهها بالقرب من بعضها البعض، قد تسمح الاقتران الكهرومغناطيسي بعبور طاقة التوافقيات شبكـة الترشيح دون المرور بها. وفي الوحدات الصغيرة أو عالية القدرة، قد يتطلّب الأمر غلافًا معدنيًّا موصولًا بالأرض أو حاجز درع داخلي.

وعلى الرغم من أن مرشح LC هو مرشح سلبي، فإن فقدان الإدخال الناتج عنه يحوّل جزءًا من طاقة الموجات الراديوية إلى حرارة. وتساعد مساحة النحاس الكافية، وتوفير تدفق الهواء، والتلامس الحراري الجيّد، وتصميم الغلاف في الحفاظ على أداء المرشح باستقرار.

تطابق المعاوقة واستقرار المضخّم

يجب أن يعمل مرشح التمرير المنخفض جنبًا إلى جنب مع شبكة مطابقة المخرجات للمضخم. وقد يُظهر مرشحٌ مصممٌ لمقاومة مصدر وحمل اسميّة تبلغ ٥٠ أوم مقاومةً تفاعليةً خارج نطاق التمرير. ولذلك، ينبغي تقييم المقاومة التي تراها الترانزستور عبر نطاق ترددي واسع.

عند الترددات التوافقيّة، يمكن أن تؤثر مقاومة الحمل على كفاءة المضخم، ومدى تأرجح جهد التصريف أو الجامع، وموثوقية الترانزستور. وفي بعض الأنظمة، يُدمج مرشح التمرير المنخفض في شبكة مطابقة المخرجات بحيث يؤدي وظيفتي تحويل المعاوقة وكبت التوافقيات.

يمكن أن يؤدي هذا النهج المدمج إلى تقليل عدد المكونات وحجم الوحدة، لكنه يتطلب عادةً نماذج ترانزستور دقيقة، وبيانات سحب الحمل، ومحاكاة التوازن التوافقي.

يمكن لمحلِّل الشبكة المتجهية التحقق من فقدان الإدخال في المرشح، وفقدان الانعكاس، والتردد القطعي، ورفض النطاق المحظور قبل إجراء الاختبار عند القدرة الكاملة. وبعد ذلك، يمكن قياس الانبعاثات التوافقيّة باستخدام محلِّل الطيف، والمتصل الاتجاهي، والتخفيض المناسب للإشارات الراديوية (RF)، وحمل وهمي ذي تصنيف مناسب.

يجب أن يشمل الاختبار نطاق الجهد الأدنى والأقصى للمصدر، ودرجات الحرارة القصوى، وإعدادات القدرة الخارجة المختلفة، وتسامح المكونات في مرحلة الإنتاج، وظروف سوء التطابق التمثيلية للهوائي.

ما مقدار كبح التوافقيات الممكن تحقيقه؟

يعتمد مستوى الكبح النهائي على مقدار التوافقيات الأصلية التي يولدها المضخِّم، وعلى مقدار التوهين الذي يوفِّره المرشح عند كل تردد توافقي.

فعلى سبيل المثال، نفترض أن مضخِّمًا ما يولِّد توافقيًّا ثانيًا بمستوى −25 ديسيبل بالنسبة إلى الإشارة الأساسية (dBc). وإذا قدَّم مرشح تمرير منخفض من النوع LC توهينًا مقداره 35 ديسيبل عند تردد التوافقي الثاني، فإن النتيجة النظرية بعد الترشيح قد تقترب من −60 ديسيبل بالنسبة إلى الإشارة الأساسية (dBc).

قد تختلف القياسات الفعلية بسبب اتصال الموصلات، والإشعاع الناتج عن لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وضعف التأريض، والرنين الذاتي للمكونات، وتسرب الغلاف، وعدم اليقين في القياس.

يمكن أن يُحقِّق مخطط دائرة كهربائية تقنيٌّ سليم أداءً ضعيفًا في قمع التوافقيات إذا لم تُصمَّم تنفيذاته المادية وفق مبادئ الهندسة الراديوية (RF). ولهذا السبب بالذات، يجب التعامل مع المحاكاة، وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وتصميم الغلاف، والتحقق المختبري كعملية هندسية واحدة متكاملة.

وفي الأنظمة الأكثر تطلبًا، يمكن دمج مرشح منخفض التردد من النوع LC مع مرشح تجويفي أو مرشح خزفي أو هيكل موزَّع لخط النقل. وتتميَّز المرشحات من النوع LC بحجمها الصغير، ومرونتها في التكامل، وكفاءتها من حيث التكلفة. أما المرشحات التجويفية فتوفر عامل جودة عاليًا (Q factor)، وفقدان إدخال منخفض، ورفض قوي للترددات الخارجة عن النطاق، وقدرة أعلى على تحمل القدرة في العديد من التطبيقات المتوسطة والعالية التردد.

اختيار مرشح منخفض التردد مخصص من النوع LC

غالبًا ما يُفضَّل استخدام مرشح LC مخصَّص عندما لا يمكن لمكوِّن جاهز تلبية متطلبات التردد أو الحزمة أو القدرة أو مستوى الرفض المطلوب.

عند طلب مرشح مخصَّص، يجب على المهندسين تزويدنا بما يلي:

• نطاق التمرير المطلوب
• منطقة التوقف أو الانتقال المرغوبة
• ترددات التوافقيين الثاني والثالث
• أقصى خسارة إدخال في نطاق التمرير
• متطلبات عائد الخسارة أو نسبة الموجة الراكدة الجهدية (VSWR)
• أهداف تضعيف نطاق التوقف
• أقصى قدرة كهرومغناطيسية مستمرة وقمة
• نطاق درجة حرارة التشغيل
• الأبعاد الميكانيكية
• نوع الموصل أو ترتيب الدبابيس
• المتطلبات البيئية ومتطلبات الموثوقية

توفير المواصفات الكاملة يمكّن شركة تصنيع الفلاتر من اختيار البنية المناسبة، وتكنولوجيا المكونات، وهيكل الغلاف، وعملية التصنيع.

تشمل محفظة مكونات RSWave الراديوية فلاتر LC، وفلاتر التجويف، وفلاتر السيراميك الديلكتريك الميكروويفية، والمُضاعِفات، والمضاعِفات المتعددة، والهوائيات. وهذه المنتجات تُستخدم في بنى الاتصالات التحتية، وكشف الرادار، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ومعدات الملاحة، والأنظمة غير المأهولة، ووحدات الفضاء الجوي، والإلكترونيات الصناعية الراديوية، ومنصات الميكروويف المخصصة.

الخاتمة

يُثبّط مرشح التمرير المنخفض LC التوافقيات الناتجة عن مضخّمات القدرة الراديوية من خلال دمج الحث التسلسلي والسعة الشبكية لتمرير الإشارة الأساسية مع رفض الطاقة ذات الترددات الأعلى.

يعتمد قمع التوافقيات الفعّال على عوامل تتجاوز بكثير مجرد اختيار تردد القطع. فالرتبة التي يُصنَّف بها المرشح، ونوع الاستجابة، وعامل الجودة (Q) للمكونات، وتصنيف القدرة، وسلوك المعاوقة، والتوصيل بالأرض، والدرع، وإدارة الحرارة، وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وتسامح الإنتاج — كلُّها تؤثر في الأداء الفعلي في ظروف التشغيل الواقعية.

عند معالجة هذه العوامل معًا، يمكن لمرشح تمرير منخفض LC المصمم بشكلٍ سليم أن يقلل بشكلٍ كبيرٍ من انبعاثات التوافقيَّتين الثانية والثالثة، ويحسِّن التوافق الكهرومغناطيسي، ويحمي المستقبلات القريبة، ويساعد مرسل الإشارات الراديوية على الوفاء باشتراطاته الطيفية.

وبالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حزمةً مدمجةً، أو فقدان إدخال منخفضًا، أو رفضًا مُعرَّفًا للتوافقيات، أو موثوقيةً عاليةً، أو واجهةً غير قياسية، فإن المرشح الراديوي المخصص من نوع LC يوفِّر مسارًا عمليًّا من تصميم الدائرة إلى الأداء الراديوي الجاهز للإنتاج.