Как един LC нискочестотен филтър потиска хармониците от RF усилвател на мощност?

Усилвателите на RF мощност увеличават мощността на желания радиочестотен сигнал, но нито един практически усилвател не е напълно линеен. Когато транзисторът се задвижва близо до компресия, неговото нелинейно поведение генерира хармоници при цели кратни на основната честота. Например, предавател, работещ на 100 MHz, може да произвежда нежелана енергия на 200 MHz, 300 MHz и по-високи честоти. Ако тези хармоници достигнат антената, те могат да причинят електромагнитни смущения, да нарушият ограниченията за излъчване, да намалят спектралната ефективност и да объркат съседни приемници.

Филтърът с ниска честота LC е едно от най-практичните решения. Той се състои от индуктори и кондензатори и пропуска необходимата основна честота, докато ослабва сигнали над своята гранична честота. В RF модули, радиопередатчици, телеметрични устройства, радарни подсистеми, спътникови терминали, изпитателни уреди и персонализирани безжични платформи филтърът обикновено се монтира непосредствено след RF мощностния усилвател.

Защо RF мощностните усилватели генерират хармоници

Идеално линеен усилвател би възпроизвел входната форма на вълната при по-висока мощност, без да я промени. Реалните RF устройства обаче проявяват нелинейно усилване, преходна капацитетност, вариации в смещението и насищане. Когато изходната мощност нараства, формата на вълната се изкривява, а това изкривяване се проявява в честотната област като хармоници.

Втората хармоника възниква при двойна честота на носителя, третата — при трикратна честота на носителя и т.н. Нивата им зависят от технологията на транзисторите, класа на усилвателя, работната точка, изходната мощност, съгласуване на импеданса и модулацията. Превключващите или силно компресирани усилватели могат да осигурят висока ефективност, но обикновено изискват по-силно филтриране на хармониците.

Хармониците също могат да предизвикват лъжливи отговори в измервателните системи, да се индуктивно свързват с навигационни или комуникационни канали и да увеличават напрежението върху последващите компоненти. Затова потискането на хармониците трябва да се разглежда като част от проекта на изхода на усилвателя.

Как работи LC филтър за долни честоти

LC филтърът за долни честоти използва противоположното честотно поведение на индукторите и кондензаторите. Индуктивното реактивно съпротивление нараства с честотата:

XL = 2πfL

Капацитивното реактивно съпротивление намалява с повишаването на честотата:

XC = 1/(2πfC)

В типична топология серийните индуктори възпрепятстват високочестотния хармоничен ток, докато успоредните кондензатори осигуряват път с ниско съпротивление, който отвежда нежеланата енергия към земята. При основната честота стойностите се избират така, че загубата при включване да остане ниска, за да може усилвателят да предава мощност ефективно към товара.

Над честотата на отрязване затихването нараства според броя на реактивните секции и избраната честотна характеристика на филтъра. Мрежа от по-висок ред осигурява по-стръмен преход, когато първата нежелана хармоника е относително близо до необходимата пропускана лента.

Избор на честотата на отрязване

Честотата на отрязване трябва да е достатъчно висока, за да пропусне желания сигнал и неговата честотна ширина на модулацията, но достатъчно ниска, за да затихва най-ниската значима хармоника. За теснополосен носител с честота 100 MHz честотата на отрязване може да се постави над заетата честотна ширина на канала и далеч под втората хармоника от 200 MHz.

За модулираните системи проектирането трябва да взема предвид пълната заета лента, спектралната маска, производствената честотна толерантност и температурното отклонение. Филтър с прекъсване, разположен твърде близо до желаната честотна лента, може да изкриви огибащата на сигнала, да влоши величината на векторната грешка и да увеличи отразената мощност. Прекъсване, разположено твърде високо, може да осигури недостатъчно потискане на хармониците.

Важни входни параметри за проектирането на филтри са:

• Основна работна честота
• Заета честотна лента на сигнала
• Максимална RF изходна мощност
• Изисквано потискане на втората и третата хармоника
• Максимално допустима загуба при включване
• Импеданс на източника и на товара
• Диапазон на оперативната температура
• Размери на опаковката
• Съединителен, повърхностно монтиран или чрез-дупка интерфейс

Тези параметри трябва да бъдат определени преди избора на стандартен филтър или разработването на персонализирана LC мрежа.

Ред на филтъра и отговор

Редът на филтъра определя скоростта, с която затихването нараства над честотата на резонанс. Всеки допълнителен реактивен компонент може да подобри спада, но също така внася допълнителни загуби, чувствителност към допуските, разходи и сложност при проектирането на печатната платка.

Отговорът по Бътърворт осигурява максимално равномерна предавателна лента и е полезен, когато е важна последователността на амплитудата в предавателната лента. Отговорът по Чебишев предлага по-стръмен преход за даден ред на филтъра, но внася контролирана пулсация в предавателната лента. Елиптичният отговор може да създаде нули на предаването и изключително остър отклонителен отговор, макар да е по-чувствителен към допуските на компонентите и паразитните ефекти.

За потискане на хармониците в RF мощностни усилватели най-доброто решение не е автоматично мрежата с най-висок ред. Оптималната конструкция балансира потискането на хармониците, вмъкнатите загуби, напрежението, токопроводимостта, производимостта, физическите размери и стабилността на усилвателя.

В много практически предаватели три- до седемполюсен LC нискочестотен филтър осигурява ефективен компромис между ефективността на подтискане и сложността на реализацията.

Мощност, който фактор и избор на компоненти

Изчисленията за малки сигнали за филтри са само началото. На изхода на RF мощностен усилвател индукторите и кондензаторите могат да бъдат изложени на значителни RF токове и напрежения. Компонентите с недостатъчни номинални стойности могат да се нагряват, да се разстройват, да се наситят, да се пукнат или да излязат от строя.

Кой факторът на индуктора силно влияе върху загубите при вмъкване. Индуктор с по-висок кой фактор запазва енергията с по-ниски резистивни загуби, което помага за поддържане на ефективността на предавателя. Кондензаторите трябва да осигуряват ниско еквивалентно серийно съпротивление, стабилна капацитетност, подходящи RF диелектрични характеристики и достатъчен запас по напрежение.

Номиналното напрежение трябва да отчита несъответствието на импеданса и стоящите вълни, а не само номиналното работно условие от 50 ома. При лошо съгласуване на антената пиковото ВЧ напрежение вътре в филтъра може да е значително по-високо от очакваното.

Друг важен фактор е допустимата грешка на компонентите. Отклоненията в индуктивността и капацитета могат да изместят честотата на отсичане и точките на подтискане на хармониците. Температурното отклонение, паразитните елементи на печатната платка, капацитетът на контактните площи за лепене, индуктивността на проводниците и влиянието на корпуса могат допълнително да променят измерената реакция.

За компактни филтри, работещи на по-високи честоти, електромагнитното моделиране и анализа на допустимите грешки са задължителни, за да се гарантира, че серийните изделия отговарят на целевите технически спецификации.

RSWave доставя RF LC филтри в конфигурации с ниска честота на пропускане, висока честота на пропускане, лента на пропускане и лента на спиране. Асортиментът от продукти поддържа компактни повърхностно монтиращи и чрез-отворни конструкции, докато за специализирани RF системи могат да се разработят персонализирани честотни диапазони, загуби, корпуси и интерфейси.

Разположение на PCB и заземяване

На ВЧ честоти PCB-платата и корпусът стават част от веригата на филтъра. Дългите трасета добавят нежелана индуктивност, контактните площи на компонентите внасят капацитет, а неправилното заземяване може значително да намали загубите в забранената лента.

LC филтърът трябва да се монтира възможно най-близо до изхода на усилвателя на мощността. Връзките трябва да са кратки, с контролиран импеданс и да са свързани с непрекъсната заземяваща равнина.

Шунтовите кондензатори изискват пътища с ниска индуктивност към земята. Няколко вия за заземяване трябва да се поставят близо до всяка контактна площадка на кондензатора, за да може високочестотният ток да се връща ефективно. Дългият път между кондензатора и земята може да попречи на компонента да осигури очакваното отслабване на хармониците.

Трассите за вход и изход също трябва да са физически разделени. Когато те са прокарани близо една до друга, електромагнитното свързване може да позволи на хармоничната енергия да заобиколи филтърната мрежа. В компактни или високомощни модули може да се изисква заземена метална обвивка или вътрешна екранираща преграда.

Макар LC филтърът да е пасивен, загубата при включване преобразува част от ВЧ мощността в топлина. Достатъчната площ от мед, въздушен поток, термичен контакт и конструкция на корпуса помагат за поддържане на стабилна филтърна производителност.

Съгласуване на импеданса и стабилност на усилвателя

Филтърът за долни честоти трябва да работи заедно с мрежата за съгласуване на изхода на усилвателя. Филтър, проектиран за номинални източник и товар с импеданс 50 ома, може да представи реактивен импеданс извън честотната лента на пропускане. Импедансът, виждан от транзистора, следователно трябва да бъде оценен в широк честотен диапазон.

На хармонични честоти импедансът на товара може да повлияе върху ефективността на усилвателя, амплитудата на напрежението в дренажа или колектора и надеждността на транзистора. В някои системи филтърът за долни честоти е интегриран в мрежата за съгласуване на изхода, така че изпълнява както функцията за трансформация на импеданса, така и тази за потискане на хармониците.

Този интегриран подход може да намали броя на компонентите и размерите на модула, но обикновено изисква точни модели на транзисторите, данни от измервания с товарно издърпване (load-pull) и симулация чрез хармоничен баланс.

Векторният анализатор на мрежи може да провери загубата при включване на филтъра, отразената загуба, честотата на резкото спадане и подавянето в забранената зона преди изпитанията при пълна мощност. Хармоничните излъчвания след това могат да се измерят с анализатор на спектъра, насочващ съединител, подходящо ВЧ ослабване и имитационно натоварване с подходяща номинална мощност.

Изпитанията трябва да обхващат минималното и максималното напрежение на захранването, екстремни температури, различни настройки на изходната мощност, производствени допуски на компонентите и типични условия на несъгласуваност на антената.

Колко голямо подавяне на хармониците е възможно?

Крайното ниво на подавяне зависи от първоначалното хармонично излъчване на усилвателя и от ослабянето на филтъра при всяка хармонична честота.

Например, нека приемем, че усилвателът произвежда втора хармоника на −25 dBc. Ако LC филтърът с ниски честоти осигурява ослабяне от 35 dB при честотата на втората хармоника, теоретичният филтриран резултат може да достигне около −60 dBc.

Фактическите измервания могат да се различават поради свързването на конекторите, емисиите от печатната платка (PCB), недостатъчно заземяване, собствения резонанс на компонентите, изтичане от корпуса и несигурността при измерването.

Технически коректната принципна схема на верига може все пак да осигури слабо потискане на хармониците, ако нейната физическа реализация не е проектирана според принципите на ВЧ техниката. Това е една от причините, поради които моделирането, проектирането на печатни платки, проектирането на корпуси и лабораторната валидация трябва да се разглеждат като един инженерен процес.

За по-изискани системи нискочестотен LC филтър може да се комбинира с кавитетен филтър, керамичен филтър или разпределена структура на предавателна линия. LC филтрите са привлекателни поради компактния си размер, гъвкавостта при интеграция и икономичността си. Кавитетните филтри могат да осигурят висок коефициент на доброта (Q), ниски загуби при включване, силно отхвърляне на извънлентовите честоти и по-голяма мощностна способност в много средно- и високочестотни приложения.

Избор на персонализиран нискочестотен LC филтър

Често е предпочитан филтър LC по поръчка, когато компонентът от склад не отговаря на изискванията за честота, корпус, подавяне или мощност.

При поръчване на филтър по поръчка инженерите трябва да предоставят:

• Изискваната работна лента
• Желаната честота на отсичане или преходната област
• Честоти на втората и третата хармоника
• Максимална загуба при вмъкване в работната лента
• Изискване за отразена мощност или КСВР
• Целеви стойности за подавяне в забранената лента
• Максимална непрекъсната и пикова ВЧ мощност
• Диапазон на оперативната температура
• Механични размери
• Тип на съединителя или конфигурация на контактите
• Изисквания към околната среда и надеждност

Предоставянето на пълни технически спецификации позволява на производителя на филтри да избере подходяща топология, технология на компонентите, конструкция на корпуса и производствен процес.

Портфолиото на RSWave от ВЧ компоненти включва LC филтри, кавитетни филтри, микровълнови диелектрични керамични филтри, дуплексери, мултиплексери и антени. Тези продукти се използват в комуникационна инфраструктура, радарно откриване, спътникова комуникация, навигационно оборудване, безпилотни системи, аерокосмически модули, промишлени ВЧ електронни устройства и персонализирани микровълнови платформи.

Заключение

LC нискочестотен филтър потиска хармониците на ВЧ усилвателите на мощност чрез комбиниране на серийна индуктивност и успоредна капацитетност, за да пропусне основния сигнал и да отхвърли енергията на по-високите честоти.

Ефективното потискане на хармониците зависи от много повече неща освен избора на честота на отрязване. Редът на филтъра, типа на отговора, добротата (Q фактор) на компонентите, класът на мощност, импедансното поведение, заземяването, екранирането, термичният мениджмънт, разположението на компонентите върху печатната платка (PCB layout) и производствените допуски всички оказват влияние върху реалната работоспособност.

Когато тези фактори се решават едновременно, правилно проектиран нискочестотен LC филтър може значително да намали излъчванията на втората и третата хармоника, да подобри електромагнитната съвместимост, да защити съседни приемници и да помогне на радиочестотния предавател да изпълни спектралните си изисквания.

За приложения, които изискват компактен корпус, ниски загуби при включване, дефинирано отхвърляне на хармоници, висока надеждност или нестандартен интерфейс, персонализираният RF LC филтър осигурява практически път от проекта на веригата до готовата за производство RF производителност.