Wie unterdrückt ein LC-Tiefpassfilter Oberwellen eines HF-Leistungsverstärkers?

HF-Leistungsverstärker erhöhen die Leistung eines gewünschten hochfrequenten Signals; jedoch ist kein praktischer Verstärker vollkommen linear. Wenn ein Transistor nahe der Kompression betrieben wird, erzeugt sein nichtlineares Verhalten Harmonische bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz. Ein Sender, der beispielsweise bei 100 MHz arbeitet, kann unerwünschte Energie bei 200 MHz, 300 MHz und höheren Frequenzen erzeugen. Wenn diese Harmonischen die Antenne erreichen, können sie elektromagnetische Störungen verursachen, gesetzliche Emissionsgrenzwerte überschreiten, die spektrale Effizienz verringern und benachbarte Empfänger stören.

Ein LC-Tiefpassfilter ist eine der praktikabelsten Lösungen. Aus Induktivitäten und Kondensatoren aufgebaut, lässt es die erforderliche Grundfrequenz durch, während Signale oberhalb seiner Grenzfrequenz gedämpft werden. In HF-Modulen, Funktransmittern, Telemetrieausrüstung, Radarsubsystemen, Satellitenterminals, Prüfgeräten sowie maßgeschneiderten drahtlosen Plattformen wird das Filter üblicherweise unmittelbar nach dem HF-Leistungsverstärker installiert.

Warum HF-Leistungsverstärker Oberwellen erzeugen

Ein ideal linearer Verstärker würde die Eingangswelle mit höherer Leistung, jedoch ohne Formänderung, wiedergeben. Reale HF-Geräte weisen jedoch nichtlineare Verstärkung, Sperrschichtkapazität, Bias-Variation und Sättigung auf. Wenn die Ausgangsleistung steigt, wird die Welle verzerrt, und diese Verzerrung erscheint im Frequenzbereich als Oberwellen.

Die zweite Oberwelle tritt bei der doppelten Trägerfrequenz auf, die dritte bei der dreifachen Trägerfrequenz usw. Ihre Amplituden hängen von der Transistortechnologie, der Verstärkerklasse, dem Arbeitspunkt (Bias), der Ausgangsleistung, der Impedanzanpassung und der Modulation ab. Schaltverstärker oder stark komprimierte Verstärker können hohe Effizienz erreichen, erfordern jedoch in der Regel stärkere Oberwellenfilter.

Oberwellen können zudem falsche Antworten in Messsystemen erzeugen, in Navigations- oder Kommunikationskanäle einkoppeln und die Belastung nachgeschalteter Komponenten erhöhen. Die Unterdrückung von Oberwellen sollte daher als integraler Bestandteil des Ausgangsdesigns des Verstärkers betrachtet werden.

So funktioniert ein LC-Tiefpassfilter

Ein LC-Tiefpassfilter nutzt das entgegengesetzte Frequenzverhalten von Drosseln und Kondensatoren aus. Der induktive Blindwiderstand steigt mit der Frequenz an:

XL = 2πfL

Der kapazitive Blindwiderstand sinkt mit steigender Frequenz:

XC = 1/(2πfC)

In einer typischen Topologie behindern Seriendrosseln hochfrequente Oberschwingungsströme, während Shuntkondensatoren einen niederohmigen Pfad bereitstellen, der unerwünschte Energie zum Erdpotential ableitet. Bei der Grundfrequenz werden die Werte so gewählt, dass die Einschleifdämpfung gering bleibt, damit der Verstärker die Leistung effizient an die Last übertragen kann.

Oberhalb der Grenzfrequenz nimmt die Dämpfung entsprechend der Anzahl der reaktiven Abschnitte und der gewählten Filtercharakteristik zu. Ein Netzwerk höherer Ordnung bietet einen steileren Übergang, wenn die erste unerwünschte Oberschwingung relativ nahe am erforderlichen Durchlassbereich liegt.

Auswahl der Grenzfrequenz

Die Grenzfrequenz muss hoch genug sein, um das gewünschte Signal und dessen Modulationsbandbreite durchzulassen, aber niedrig genug, um die niedrigste relevante Harmonische zu dämpfen. Bei einem schmalbandigen 100-MHz-Träger kann die Grenzfrequenz oberhalb der belegten Kanalbandbreite und deutlich unterhalb der 200-MHz-Zweiten-Harmonischen liegen.

Bei modulierten Systemen müssen Konstrukteure die gesamte belegte Bandbreite, die spektrale Maske, die Fertigungstoleranz der Frequenz sowie die Temperaturdrift berücksichtigen. Eine Grenzfrequenz, die zu nahe am gewünschten Band liegt, kann die Signalmagnitude verzerren, die Fehlervektormagnitude verschlechtern und die reflektierte Leistung erhöhen. Eine zu hohe Grenzfrequenz kann hingegen eine unzureichende Dämpfung der Harmonischen bewirken.

Wichtige Eingangsgrößen für die Filterkonstruktion sind:

• Grundbetriebsfrequenz
• Belegte Signalbandbreite
• Maximale HF-Ausgangsleistung
• Erforderliche Dämpfung der zweiten und dritten Harmonischen
• Maximal zulässiger Einfügungsverlust
• Quell- und Lastimpedanz
• Betriebstemperaturbereich
• Paketabmessungen
• Anschlussart: Steckverbinder, SMD (Surface-Mount-Device) oder Durchsteckmontage

Diese Parameter sollten vor der Auswahl eines Standardfilters oder der Entwicklung eines maßgeschneiderten LC-Netzwerks festgelegt werden.

Filterordnung und Frequenzgang

Die Filterordnung bestimmt, wie stark die Dämpfung jenseits der Grenzfrequenz ansteigt. Jede zusätzliche reaktive Komponente kann die Flankensteilheit verbessern, führt jedoch auch zu zusätzlichen Verlusten, erhöhter Toleranzempfindlichkeit, höheren Kosten und größerer Komplexität beim Leiterplattenlayout.

Ein Butterworth-Frequenzgang bietet einen maximal flachen Durchlassbereich und ist nützlich, wenn eine konstante Amplitude im Durchlassbereich wichtig ist. Ein Chebyshev-Frequenzgang bietet bei gegebener Filterordnung einen steileren Übergang, erzeugt jedoch eine kontrollierte Welligkeit im Durchlassbereich. Ein elliptischer Frequenzgang kann Übertragungsnullstellen erzeugen und eine extrem scharfe Sperrwirkung bewirken, ist jedoch empfindlicher gegenüber Bauteiltoleranzen und parasitären Effekten.

Bei der Unterdrückung von Harmonischen in HF-Leistungsverstärkern ist die beste Lösung nicht automatisch das Netzwerk höchster Ordnung. Das optimale Design stellt einen Kompromiss zwischen Harmonischenunterdrückung, Einfügedämpfung, Spannungsbelastung, Strombelastbarkeit, Herstellbarkeit, physikalischer Größe und Verstärkerstabilität dar.

In vielen praktischen Sendern bietet ein LC-Tiefpassfilter mit drei bis sieben Polen einen wirksamen Kompromiss zwischen Unterdrückungsleistung und Implementierungskomplexität.

Leistungsbelastbarkeit, Gütefaktor und Bauteilauswahl

Kleinsignal-Filterberechnungen sind nur der Anfang. Am Ausgang eines HF-Leistungsverstärkers können Induktivitäten und Kondensatoren erheblichen HF-Strom und -Spannung ausgesetzt sein. Bauteile mit unzureichenden Kennwerten können sich erwärmen, entstimmen, saturieren, Risse bekommen oder ausfallen.

Der Gütefaktor Q der Drosselspule beeinflusst die Einfügedämpfung stark. Eine Drosselspule mit höherem Q speichert Energie mit geringeren ohmschen Verlusten und trägt so zur Aufrechterhaltung der Senderwirkungsgrad bei. Die Kondensatoren sollten eine geringe äquivalente Serienwiderstand (ESR), eine stabile Kapazität, geeignete HF-Dielektrikumeigenschaften und ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen.

Die Spannungsfestigkeit muss nicht nur für die nominelle 50-Ohm-Betriebsbedingung, sondern auch für Impedanzanpassungsfehler und stehende Wellen ausgelegt sein. Bei einer schlechten Antennenanpassung kann die Spitzen-HF-Spannung innerhalb des Filters deutlich höher als erwartet sein.

Die Toleranz der Bauelemente ist ein weiterer wichtiger Faktor. Schwankungen der Induktivität und Kapazität können die Grenzfrequenz sowie die Frequenzen für die Oberwellendämpfung verschieben. Temperaturdrift, Leiterplatten-Parasitiken, Lötflächenkapazität, Leiterbahndrosselwirkung und Gehäuseeffekte können die gemessene Filtercharakteristik zusätzlich verändern.

Für kompakte Filter, die bei höheren Frequenzen betrieben werden, sind elektromagnetische Simulationen und Toleranzanalysen unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Serienfertigungseinheiten die geforderten Spezifikationen erfüllen.

RSWave liefert HF-LC-Filter in Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperren-Konfigurationen. Das Produktportfolio umfasst kompakte SMD- und Durchsteck-Bauteile; zudem können kundenspezifische Anforderungen hinsichtlich Frequenz, Dämpfung, Gehäuse und Schnittstelle für spezielle HF-Systeme realisiert werden.

Leiterplattenlayout und Erdung

Bei HF-Frequenzen werden Leiterplatte und Gehäuse Teil des Filterkreises. Lange Leitungen erzeugen unerwünschte Induktivitäten, Bauteil-Pads führen zu parasitären Kapazitäten, und eine mangelhafte Erdung kann die Sperrbanddämpfung erheblich verringern.

Der LC-Filter sollte möglichst nahe am Ausgang des Leistungsverstärkers montiert werden. Die Verbindungen sollten kurz, impedanzkontrolliert und auf eine durchgängige Massefläche bezogen sein.

Shunt-Kondensatoren erfordern niederinduktive Masseverbindungen. Mehrere Masse-Bohrungen sollten nahe an jedem Kondensatorpad angeordnet werden, damit hochfrequenter Strom effizient zurückfließen kann. Ein langer Weg zwischen Kondensator und Masse kann verhindern, dass die Komponente die erwartete Harmonischen-Dämpfung liefert.

Die Leiterbahnen für Eingang und Ausgang sollten ebenfalls räumlich voneinander getrennt sein. Werden sie eng beieinander geführt, kann elektromagnetische Kopplung dazu führen, dass Harmonischeenergie das Filternetzwerk umgeht. In kompakten oder leistungsstarken Modulen ist möglicherweise eine geerdete Metallgehäuseabdeckung oder eine innere Abschirmwand erforderlich.

Obwohl ein LC-Filter passiv ist, wandelt seine Einfügedämpfung einen Teil der HF-Leistung in Wärme um. Ausreichende Kupferfläche, Luftstrom, thermischer Kontakt sowie Gehäusedesign tragen zur Aufrechterhaltung einer stabilen Filterleistung bei.

Impedanzanpassung und Verstärkerstabilität

Der Tiefpassfilter muss zusammen mit dem Anpassungsnetzwerk am Verstärkerausgang arbeiten. Ein Filter, das für nominelle Quell- und Lastimpedanzen von 50 Ohm ausgelegt ist, kann außerhalb des Durchlassbereichs eine reaktive Impedanz aufweisen. Die vom Transistor gesehene Impedanz sollte daher über einen weiten Frequenzbereich hinweg bewertet werden.

Bei Harmonischen kann die Lastimpedanz die Verstärkereffizienz, die Drain- oder Kollektor-Spannungsschwankung sowie die Zuverlässigkeit des Transistors beeinflussen. In einigen Systemen ist der Tiefpassfilter in das Ausgangsanpassungsnetzwerk integriert, sodass er sowohl die Impedanztransformation als auch die Unterdrückung von Harmonischen übernimmt.

Dieser integrierte Ansatz kann die Anzahl der Komponenten und die Modulgröße reduzieren; er erfordert jedoch in der Regel genaue Transistormodelle, Load-Pull-Daten sowie eine Harmonic-Balance-Simulation.

Ein Vektor-Netzwerkanalysator kann die Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung, Grenzfrequenz und Sperrbandunterdrückung eines Filters vor der Hochleistungsprüfung überprüfen. Anschließend können obere Harmonische mit einem Spektrumanalysator, einem Richtkoppler, geeigneter HF-Dämpfung und einer entsprechend dimensionierten Dummy-Last gemessen werden.

Die Prüfung sollte die minimalen und maximalen Versorgungsspannungen, Temperaturgrenzwerte, verschiedene Ausgangsleistungseinstellungen, Toleranzen der Serienkomponenten sowie repräsentative Antennen-Anpassungsfehler abdecken.

Wie viel Oberwellenunterdrückung ist möglich?

Der endgültige Unterdrückungspegel hängt von der ursprünglichen Oberwellenleistung des Verstärkers und der Filterdämpfung bei jeder Oberwellenfrequenz ab.

Beispielsweise erzeuge ein Verstärker eine zweite Oberwelle bei −25 dBc. Falls das LC-Tiefpassfilter bei der Frequenz der zweiten Oberwelle eine Dämpfung von 35 dB bietet, kann das theoretisch gefilterte Ergebnis nahe bei −60 dBc liegen.

Tatsächliche Messwerte können aufgrund von Steckerverbindungen, PCB-Strahlung, unzureichender Erdung, Eigenresonanz von Komponenten, Gehäuseleckagen und Messunsicherheit abweichen.

Ein technisch korrektes Schaltplan kann dennoch eine schlechte Oberwellendämpfung aufweisen, wenn seine physikalische Realisierung nicht gemäß HF-Prinzipien ausgelegt ist. Dies ist einer der Gründe, warum Simulation, Leiterplattendesign, Gehäusedesign und Laborvalidierung als ein einziger ingenieurmäßiger Prozess betrachtet werden sollten.

Für anspruchsvollere Systeme kann ein LC-Tiefpassfilter mit einem Hohlraumfilter, Keramikfilter oder einer verteilten Übertragungsleitungsstruktur kombiniert werden. LC-Filter sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise, Integrationsflexibilität und Kostenwirksamkeit attraktiv. Hohlraumfilter bieten in vielen mittleren und hochfrequenten Anwendungen einen hohen Gütefaktor, geringe Einfügedämpfung, starke Außerbandunterdrückung sowie eine höhere Leistungsbelastbarkeit.

Auswahl eines kundenspezifischen LC-Tiefpassfilters

Ein maßgeschneiderter LC-Filter ist oft vorzuziehen, wenn ein Standardkomponente die erforderlichen Anforderungen hinsichtlich Frequenz, Gehäuse, Unterdrückung oder Leistung nicht erfüllen kann.

Bei der Anfrage eines kundenspezifischen Filters sollten Ingenieure folgende Angaben machen:

• Erforderlicher Durchlassbereich
• Gewünschter Sperrbereich oder Übergangsbereich
• Frequenzen der zweiten und dritten Harmonischen
• Maximaler Einfügungsverlust im Durchlassbereich
• Anforderung an die Rückflussdämpfung oder das Stehwellenverhältnis (VSWR)
• Anforderungen an die Dämpfung im Sperrbereich
• Maximale kontinuierliche und maximale Spitzen-HF-Leistung
• Betriebstemperaturbereich
• Mechanische Abmessungen
• Steckverbinder- oder Stiftkonfiguration
• Umwelt- und Zuverlässigkeitsanforderungen

Die Bereitstellung vollständiger Spezifikationen ermöglicht es dem Filterhersteller, eine geeignete Topologie, Komponententechnologie, Gehäusestruktur und Fertigungsverfahren auszuwählen.

Das HF-Komponenten-Portfolio von RSWave umfasst LC-Filter, Hohlraumfilter, mikrowellen-dielektrische Keramikfilter, Duplexer, Multiplexer und Antennen. Diese produkte werden in Kommunikationsinfrastrukturen, Radardetektion, Satellitenkommunikation, Navigationssystemen, unbemannten Systemen, Luft- und Raumfahrtmodulen, industriellen HF-Elektroniksystemen sowie maßgeschneiderten Mikrowellenplattformen eingesetzt.

Fazit

Ein LC-Tiefpassfilter unterdrückt Harmonische von HF-Leistungsverstärkern durch Kombination einer Serieninduktivität und einer Shuntkapazität, um das Grundsignal durchzulassen und gleichzeitig hochfrequente Energie zu unterdrücken.

Eine wirksame Unterdrückung von Harmonischen hängt von weitaus mehr ab als nur von der Wahl der Grenzfrequenz. Filterordnung, Frequenzgangtyp, Q-Faktor der Komponenten, Leistungsbelastbarkeit, Impedanzverhalten, Erdung, Abschirmung, thermisches Management, Leiterplattenlayout sowie Fertigungstoleranzen beeinflussen sämtlich die praktische Leistung.

Wenn diese Faktoren gemeinsam berücksichtigt werden, kann ein korrekt ausgelegter LC-Tiefpassfilter die Emissionen der zweiten und dritten Harmonischen deutlich reduzieren, die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern, benachbarte Empfänger schützen und einem HF-Sender dabei helfen, seine spektralen Anforderungen zu erfüllen.

Für Anwendungen, bei denen ein kompaktes Gehäuse, geringe Einfügedämpfung, definierte Harmonischenunterdrückung, hohe Zuverlässigkeit oder eine nichtstandardmäßige Schnittstelle erforderlich sind, bietet ein maßgeschneiderter HF-LC-Filter einen praktischen Weg von der Schaltungsdesignphase bis hin zur serienreifen HF-Leistung.