Πώς ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης LC καταστέλλει τους αρμονικούς του ενισχυτή ισχύος RF;

Οι ενισχυτές ισχύος RF αυξάνουν την ισχύ ενός επιθυμητού σήματος ραδιοσυχνότητας, αλλά κανένας πρακτικός ενισχυτής δεν είναι τέλεια γραμμικός. Όταν ένα τρανζίστορ οδηγείται κοντά στην περιοχή συμπίεσης, η μη γραμμική του συμπεριφορά παράγει αρμονικές συχνότητες σε ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Για παράδειγμα, ένας πομπός που λειτουργεί στα 100 MHz μπορεί να παράγει ανεπιθύμητη ενέργεια στα 200 MHz, 300 MHz και υψηλότερες συχνότητες. Εάν αυτές οι αρμονικές φτάσουν στην κεραία, μπορούν να προκαλέσουν ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, να παραβιάσουν τα όρια εκπομπής, να μειώσουν την απόδοση του φάσματος και να διαταράξουν γειτονικούς δέκτες.

Ένα χαμηλοπερατό φίλτρο LC είναι μία από τις πιο πρακτικές λύσεις. Κατασκευάζεται από πηνία και πυκνωτές και επιτρέπει τη διέλευση της απαιτούμενης θεμελιώδους συχνότητας, ενώ αποσβένει τα σήματα που βρίσκονται πάνω από τη συχνότητα αποκοπής του. Σε RF μονάδες, ραδιοφωνικούς εκπομπείς, εξοπλισμό τηλεμετρίας, υποσυστήματα ραντάρ, δορυφορικούς σταθμούς, δοκιμαστικά όργανα και προσαρμοσμένες ασύρματες πλατφόρμες, το φίλτρο εγκαθίσταται συνήθως αμέσως μετά τον ενισχυτή RF ισχύος.

Γιατί οι ενισχυτές RF ισχύος παράγουν αρμονικές

Ένας τέλεια γραμμικός ενισχυτής θα αναπαρήγαγε το εισερχόμενο κύμα με μεγαλύτερη ισχύ, χωρίς να αλλάξει το σχήμα του. Οι πραγματικές RF συσκευές, ωστόσο, εμφανίζουν μη γραμμική ενίσχυση, χωρητικότητα της επαφής, μεταβολή της πόλωσης και κορεσμό. Καθώς η έξοδος ισχύος αυξάνεται, το κύμα παραμορφώνεται και αυτή η παραμόρφωση εμφανίζεται στο πεδίο των συχνοτήτων ως αρμονικές.

Η δεύτερη αρμονική εμφανίζεται στη διπλάσια συχνότητα του φορέα, η τρίτη στην τριπλάσια συχνότητα του φορέα κ.ο.κ. Τα επίπεδά τους εξαρτώνται από την τεχνολογία των τρανζίστορ, την κλάση του ενισχυτή, το σημείο πόλωσης, την ισχύ εξόδου, την προσαρμογή αντιστάσεων και την μεταμόρφωση. Οι ενισχυτές με διακοπή (switching) ή υψηλά συμπιεσμένοι ενισχυτές μπορούν να παρέχουν υψηλή απόδοση, αλλά συνήθως απαιτούν ισχυρότερο φιλτράρισμα αρμονικών.

Οι αρμονικές μπορούν επίσης να δημιουργούν ψευδείς αποκρίσεις στα συστήματα μέτρησης, να εισέρχονται σε κανάλια πλοήγησης ή επικοινωνίας και να αυξάνουν την καταπόνηση των επόμενων στοιχείων. Η καταστολή των αρμονικών πρέπει συνεπώς να θεωρείται αναπόσπαστο μέρος του σχεδιασμού της εξόδου του ενισχυτή.

Πώς λειτουργεί ένα LC φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Ένα LC φίλτρο χαμηλής διέλευσης χρησιμοποιεί την αντίθετη συμπεριφορά συχνότητας των πηνίων και των πυκνωτών. Η επαγωγική αντίσταση αυξάνεται με τη συχνότητα:

XL = 2πfL

Η χωρητική αντίσταση μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα:

XC = 1/(2πfC)

Σε μια τυπική τοπολογία, οι σειριακά συνδεδεμένοι πηνίες εμποδίζουν το ρεύμα υψηλής συχνότητας των αρμονικών, ενώ οι παράλληλα συνδεδεμένοι πυκνωτές παρέχουν μονοπάτι χαμηλής αντίστασης που αποκλείει την ανεπιθύμητη ενέργεια προς τη γη. Στη θεμελιώδη συχνότητα, οι τιμές επιλέγονται έτσι ώστε να διατηρείται χαμηλή η απώλεια εισαγωγής, ώστε ο ενισχυτής να μπορεί να μεταφέρει αποτελεσματικά ισχύ στο φορτίο.

Πάνω από τη συχνότητα αποκοπής, η απόσβεση αυξάνεται σύμφωνα με τον αριθμό των αντιδραστικών τμημάτων και την επιλεγμένη απόκριση του φίλτρου. Ένα δίκτυο υψηλότερης τάξης παρέχει πιο απότομη μετάβαση όταν η πρώτη ανεπιθύμητη αρμονική βρίσκεται σχετικά κοντά στην επιθυμητή ζώνη διέλευσης.

Επιλογή της συχνότητας αποκοπής

Η συχνότητα αποκοπής πρέπει να είναι αρκετά υψηλή ώστε να διέρχεται το επιθυμητό σήμα και το εύρος συχνοτήτων της μεταμόρφωσής του, αλλά αρκετά χαμηλή ώστε να αποσβένει τη χαμηλότερη σημαντική αρμονική. Για ένα στενό εύρος ζώνης φέρον 100 MHz, η συχνότητα αποκοπής μπορεί να τοποθετηθεί πάνω από το εύρος ζώνης του κατειλημμένου καναλιού και πολύ κάτω από τη δεύτερη αρμονική των 200 MHz.

Για τα μοντουλαρισμένα συστήματα, οι σχεδιαστές πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το πλήρες κατειλημμένο εύρος ζώνης, τη μάσκα φάσματος, την ανοχή συχνότητας παραγωγής και την παρέκκλιση λόγω θερμοκρασίας. Ένα φίλτρο αποκοπής που τοποθετείται πολύ κοντά στην επιθυμητή ζώνη μπορεί να παραμορφώσει το περιβάλλον του σήματος, να επιδεινώσει το μέγεθος διανύσματος σφάλματος (EVM) και να αυξήσει την ανακλώμενη ισχύ. Ένα φίλτρο αποκοπής που τοποθετείται σε υψηλότερη συχνότητα μπορεί να παρέχει ανεπαρκή απόσβεση αρμονικών.

Σημαντικές παράμετροι για το σχεδιασμό φίλτρων περιλαμβάνουν:

• Θεμελιώδης συχνότητα λειτουργίας
• Κατειλημμένο εύρος ζώνης σήματος
• Μέγιστη RF έξοδος ισχύος
• Απαιτούμενη απόσβεση δεύτερης και τρίτης αρμονικής
• Μέγιστη αποδεκτή απώλεια εισαγωγής
• Αντίσταση πηγής και φορτίου
• Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας
• Στοιχεία πακέτου
• Διεπαφή με συνδέτη, επιφανειακής τοποθέτησης (SMD) ή διαπερατής (through-hole)

Οι παράμετροι αυτές πρέπει να οριστούν πριν από την επιλογή ενός τυποποιημένου φίλτρου ή την ανάπτυξη ενός προσαρμοστικού δικτύου LC.

Σειρά Φίλτρου και Απόκριση

Η σειρά του φίλτρου καθορίζει με πόσο γρήγορα αυξάνεται η απόσβεση πέραν της συχνότητας αποκοπής. Κάθε επιπλέον αντιδραστικό στοιχείο μπορεί να βελτιώσει την κλίση απόσβεσης, αλλά εισάγει επίσης επιπλέον απώλειες, ευαισθησία στις ανοχές, κόστος και περιπλοκότητα στη διάταξη της πλακέτας PCB.

Μια απόκριση Butterworth παρέχει επίπεδη κερδοφόρα ζώνη (passband) και είναι χρήσιμη όταν η συνέπεια του πλάτους στην κερδοφόρα ζώνη είναι σημαντική. Μια απόκριση Chebyshev προσφέρει πιο απότομη μετάβαση για δεδομένη σειρά φίλτρου, αλλά εισάγει ελεγχόμενη κυμάτωση (ripple) στην κερδοφόρα ζώνη. Μια ελλειπτική απόκριση μπορεί να δημιουργήσει μηδενικά μετάδοσης (transmission zeros) και εξαιρετικά οξεία απόρριψη, παρόλο που είναι πιο ευαίσθητη στις ανοχές των στοιχείων και στα παράσιτα φαινόμενα.

Για την καταστολή αρμονικών σε ενισχυτές RF ισχύος, η καλύτερη λύση δεν είναι αυτόματα το δίκτυο υψηλότερης τάξης. Η βέλτιστη σχεδίαση επιτυγχάνει ισορροπία μεταξύ απόρριψης αρμονικών, απωλειών εισαγωγής (insertion loss), τάσης καταπόνησης, ρεύματος που μπορεί να διαχειριστεί, κατασκευαστικότητας, φυσικού μεγέθους και σταθερότητας του ενισχυτή.

Σε πολλούς πρακτικούς πομπούς, ένα φίλτρο χαμηλής συχνότητας LC με τρεις έως επτά πόλους προσφέρει αποτελεσματική συμβιβαστική λύση μεταξύ απόδοσης απόρριψης και πολυπλοκότητας υλοποίησης.

Αντοχή σε ισχύ, παράγοντας Q και επιλογή στοιχείων

Οι υπολογισμοί φίλτρων για μικρά σήματα είναι μόνο η αρχή. Στην έξοδο ενός ενισχυτή RF ισχύος, οι πηνίες και οι πυκνωτές ενδέχεται να εκτίθενται σε σημαντικό ρεύμα και τάση RF. Τα στοιχεία με ανεπαρκή ονομαστικά χαρακτηριστικά μπορούν να θερμανθούν, να αποσυντονιστούν, να κορεστούν, να ραγίσουν ή να αποτύχουν.

Ο παράγοντας Q της πηνίας επηρεάζει σημαντικά την απώλεια εισαγωγής. Μια πηνία υψηλότερου Q αποθηκεύει ενέργεια με χαμηλότερες αντιστατικές απώλειες, συμβάλλοντας στη διατήρηση της απόδοσης του πομπού. Οι πυκνωτές πρέπει να παρέχουν χαμηλή ισοδύναμη σειριακή αντίσταση, σταθερή χωρητικότητα, κατάλληλα χαρακτηριστικά RF διηλεκτρικού και επαρκές περιθώριο τάσης.

Η ονομαστική τάση πρέπει να λαμβάνει υπόψη την αντιστοίχιση αντίστασης και τα στάσιμα κύματα, και όχι μόνο την ονομαστική λειτουργική συνθήκη των 50 ohm. Σε περίπτωση κακής αντιστοίχισης κεραίας, η μέγιστη RF τάση εντός του φίλτρου μπορεί να είναι σημαντικά υψηλότερη από την αναμενόμενη.

Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας είναι η ανοχή των στοιχείων. Οι διακυμάνσεις στην επαγωγικότητα και τη χωρητικότητα μπορούν να μετατοπίσουν τη συχνότητα αποκοπής και τα σημεία απόρριψης αρμονικών. Η μεταβολή λόγω θερμοκρασίας, οι παράσιτοι παράγοντες του PCB, η χωρητικότητα των πάστας κατασκευής, η επαγωγικότητα των γραμμών και οι επιδράσεις του περιβλήματος μπορούν να τροποποιήσουν περαιτέρω τη μετρούμενη απόκριση.

Για συμπαγή φίλτρα που λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες, η ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση και η ανάλυση ανοχής είναι απαραίτητες για να διασφαλιστεί ότι οι μονάδες παραγωγής πληρούν τις επιθυμητές προδιαγραφές.

Η εταιρεία RSWave προμηθεύει RF LC φίλτρα σε χαμηλοπερατά, υψηλοπερατά, ζωνοπερατά και ζωνοαποκλειστικά διατάγματα. Το εύρος προϊόντων της υποστηρίζει συμπαγείς επιφανειακές (surface-mount) και διαπεραστικές (through-hole) διατάξεις, ενώ μπορούν να αναπτυχθούν προσαρμοσμένες απαιτήσεις συχνότητας, απόσβεσης, συσκευασίας και διεπαφής για εξειδικευμένα RF συστήματα.

Διάταξη της PCB και γείωση

Σε RF συχνότητες, η PCB και το περίβλημα αποτελούν τμήμα του κυκλώματος φίλτρου. Οι μακριές διαδρομές προσθέτουν ανεπιθύμητη επαγωγικότητα, οι πλακέτες των εξαρτημάτων εισάγουν χωρητικότητα και η κακή γείωση μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόσβεση στη ζώνη απόρριψης.

Το LC φίλτρο πρέπει να εγκατασταθεί όσο το δυνατόν πιο κοντά στην έξοδο του ενισχυτή ισχύος. Οι συνδέσεις πρέπει να είναι σύντομες, να ελέγχονται ως προς την εμπέδησή τους και να αναφέρονται σε συνεχή επίπεδο γείωσης.

Οι παράλληλοι πυκνωτές απαιτούν διαδρομές γείωσης με χαμηλή επαγωγικότητα. Πολλαπλές γειώσεις μέσω μικρών οπών (vias) πρέπει να τοποθετούνται κοντά σε κάθε πάδα του πυκνωτή, ώστε το ρεύμα υψηλής συχνότητας να επιστρέφει αποτελεσματικά. Μια μακρά διαδρομή μεταξύ του πυκνωτή και της γείωσης μπορεί να εμποδίσει το εξάρτημα να παρέχει την αναμενόμενη απόσβεση αρμονικών.

Οι διαδρομές εισόδου και εξόδου πρέπει επίσης να είναι φυσικά απομονωμένες. Όταν δρομολογούνται κοντά η μία με την άλλη, η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μπορεί να επιτρέψει στην ενέργεια των αρμονικών να παρακάμψει το δίκτυο φίλτρου. Σε συμπαγή ή υψηλής ισχύος μονάδες, ενδέχεται να απαιτείται μεταλλικό περίβλημα με γείωση ή εσωτερικό διαχωριστικό θωράκισμα.

Παρόλο που το φίλτρο LC είναι παθητικό, η απώλεια εισαγωγής του μετατρέπει ένα μέρος της RF ισχύος σε θερμότητα. Επαρκής επιφάνεια χαλκού, ροή αέρα, θερμική επαφή και σχεδιασμός του περιβλήματος συμβάλλουν στη διατήρηση σταθερής απόδοσης του φίλτρου.

Προσαρμογή αντίστασης και σταθερότητα ενισχυτή

Το φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων πρέπει να λειτουργεί σε συνδυασμό με το δίκτυο προσαρμογής εξόδου του ενισχυτή. Ένα φίλτρο που έχει σχεδιαστεί για ονομαστικές αντιστάσεις πηγής και φορτίου 50 ωμίων μπορεί να παρουσιάζει αντίσταση με φανταστικό χαρακτήρα εκτός της ζώνης διέλευσης. Η αντίσταση που «βλέπει» ο τρανζίστορ πρέπει συνεπώς να αξιολογηθεί σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων.

Στις αρμονικές συχνότητες, η αντίσταση φορτίου μπορεί να επηρεάζει την απόδοση του ενισχυτή, το πλάτος της τάσης στον αγωγό (drain) ή στον συλλέκτη (collector) και την αξιοπιστία του τρανζίστορ. Σε ορισμένα συστήματα, το φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων ενσωματώνεται στο δίκτυο προσαρμογής εξόδου, ώστε να εκτελεί ταυτόχρονα και τις λειτουργίες μετατροπής αντίστασης και καταστολής αρμονικών.

Αυτή η ενσωματωμένη προσέγγιση μπορεί να μειώσει τον αριθμό των εξαρτημάτων και το μέγεθος του μοντέλου, αλλά συνήθως απαιτεί ακριβή μοντέλα τρανζίστορ, δεδομένα φορτίου-τραβήγματος (load-pull) και προσομοίωση ισορροπίας αρμονικών.

Ένας αναλυτής διανυσματικού δικτύου μπορεί να επαληθεύσει την απώλεια εισαγωγής, την απώλεια επιστροφής, τη συχνότητα αποκοπής και την απόρριψη της αποκλειστικής ζώνης ενός φίλτρου πριν από τον έλεγχο υπό πλήρη ισχύ. Οι αρμονικές εκπομπές μπορούν στη συνέχεια να μετρηθούν με έναν αναλυτή φάσματος, έναν κατευθυντικό συζευκτή, κατάλληλη RF απόσβεση και ένα φορτίο προσομοίωσης με κατάλληλη κατάταξη.

Ο έλεγχος πρέπει να καλύπτει τις ελάχιστες και μέγιστες τάσεις τροφοδοσίας, τις ακραίες θερμοκρασίες, διαφορετικές ρυθμίσεις εξόδου ισχύος, τις ανοχές παραγωγής των στοιχείων και αντιπροσωπευτικές συνθήκες αντιστοίχισης κεραιών.

Πόση κατάσβεση αρμονικών είναι δυνατή;

Το τελικό επίπεδο κατάσβεσης εξαρτάται από την αρχική έξοδο αρμονικών του ενισχυτή και από την απόσβεση του φίλτρου σε κάθε συχνότητα αρμονικής.

Για παράδειγμα, υποθέστε ότι ένας ενισχυτής παράγει μια δεύτερη αρμονική στα −25 dBc. Εάν το LC φίλτρο χαμηλής διέλευσης παρέχει 35 dB απόσβεση στη συχνότητα της δεύτερης αρμονικής, το θεωρητικό αποτέλεσμα μετά τη φιλτράρισμα μπορεί να πλησιάσει τα −60 dBc.

Οι πραγματικές μετρήσεις ενδέχεται να διαφέρουν λόγω σύζευξης των συνδετήρων, ακτινοβολίας της πλακέτας κυκλωμάτων (PCB), ανεπαρκούς γείωσης, αυτοσυντονισμού των εξαρτημάτων, διαρροής του περιβλήματος και αβεβαιότητας της μέτρησης.

Ένα τεχνικά ορθό κύκλωμα σχηματικού διαγράμματος μπορεί να παρέχει εντούτοις κακή καταστολή αρμονικών, εάν η φυσική υλοποίησή του δεν έχει σχεδιαστεί σύμφωνα με τις αρχές της ραδιοσυχνότητας (RF). Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο η προσομοίωση, ο σχεδιασμός της πλακέτας κυκλωμάτων (PCB), ο σχεδιασμός του περιβλήματος και η εργαστηριακή επικύρωση πρέπει να αντιμετωπίζονται ως ένα ενιαίο μηχανικό πρόσθετο.

Για πιο απαιτητικά συστήματα, ένα LC φίλτρο χαμηλής διαβάσματος μπορεί να συνδυαστεί με ένα κοιλωτό φίλτρο, ένα κεραμικό φίλτρο ή μια κατανεμημένη δομή γραμμής μετάδοσης. Τα φίλτρα LC είναι ελκυστικά λόγω του μικρού τους μεγέθους, της ευελιξίας ολοκλήρωσής τους και της αποτελεσματικότητάς τους όσον αφορά το κόστος. Τα κοιλωτά φίλτρα μπορούν να παρέχουν υψηλό παράγοντα ποιότητας (Q), χαμηλές απώλειες εισαγωγής, ισχυρή απόρριψη εκτός ζώνης και μεγαλύτερη ικανότητα χειρισμού ισχύος σε πολλές εφαρμογές μεσαίας και υψηλής συχνότητας.

Επιλογή προσαρμοσμένου LC φίλτρου χαμηλής διαβάσματος

Ένα προσαρμοσμένο φίλτρο LC είναι συχνά προτιμότερο όταν ένα εμπορικό εξάρτημα δεν μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτούμενες συχνότητες, την συσκευασία, την απόρριψη ή την ισχύ.

Κατά την αίτηση ενός προσαρμοσμένου φίλτρου, οι μηχανικοί θα πρέπει να παρέχουν:

• Την απαιτούμενη ζώνη διέλευσης
• Την επιθυμητή συχνότητα αποκοπής ή την περιοχή μετάβασης
• Τις συχνότητες δεύτερης και τρίτης αρμονικής
• Τη μέγιστη απώλεια εισαγωγής στη ζώνη διέλευσης
• Την απαίτηση επιστροφής απώλειας ή VSWR
• Τους στόχους απόσβεσης στη ζώνη αποκοπής
• Τη μέγιστη συνεχή και κορυφαία RF ισχύ
• Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας
• Μηχανικές διαστάσεις
• Τη διάταξη συνδετήρα ή ακροδεκτών
• Περιβαλλοντικές και απαιτήσεις αξιοπιστίας

Η παροχή πλήρων προδιαγραφών επιτρέπει στον κατασκευαστή φίλτρων να επιλέξει κατάλληλη τοπολογία, τεχνολογία συστατικών, δομή περιβλήματος και διαδικασία κατασκευής.

Το χαρτοφυλάκιο RF συστατικών της RSWave περιλαμβάνει φίλτρα LC, φίλτρα κοιλότητας, μικροκυματικά φίλτρα από κεραμικό διηλεκτρικό, διπλέκτες, πολυπλέκτες και κεραίες. Αυτά προϊόντα χρησιμοποιούνται σε υποδομές επικοινωνιών, ανίχνευση με ραντάρ, δορυφορικές επικοινωνίες, εξοπλισμό πλοήγησης, αυτόνομα συστήματα, αεροδιαστημικά μοντέλα, βιομηχανικά RF ηλεκτρονικά και προσαρμοσμένες μικροκυματικές πλατφόρμες.

Συμπέρασμα

Ένα φίλτρο LC χαμηλής διέλευσης καταστέλλει τους αρμονικούς του ενισχυτή RF με τη συνδυασμένη χρήση σειριακής επαγωγικότητας και παράλληλης χωρητικότητας, προκειμένου να διέρχεται το θεμελιώδες σήμα ενώ απορρίπτεται η ενέργεια υψηλότερων συχνοτήτων.

Η αποτελεσματική καταστολή αρμονικών εξαρτάται από πολύ περισσότερα από την επιλογή της συχνότητας αποκοπής. Η τάξη του φίλτρου, ο τύπος απόκρισης, ο συντελεστής ποιότητας (Q) των συστατικών, η ισχύς λειτουργίας, η συμπεριφορά της αντίστασης, η γείωση, η θωράκιση, η διαχείριση θερμότητας, η διάταξη της πλακέτας κυκλωμάτων (PCB) και οι ανοχές παραγωγής επηρεάζουν όλες την πραγματική απόδοση.

Όταν αυτοί οι παράγοντες αντιμετωπίζονται ενιαία, ένα κατάλληλα σχεδιασμένο χαμηλοπερατό φίλτρο LC μπορεί να μειώσει σημαντικά τις εκπομπές δεύτερης και τρίτης αρμονικής, να βελτιώσει την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα, να προστατεύσει εγγύς δέκτες και να βοηθήσει έναν πομπό RF να πληροί τις προδιαγραφές φάσματός του.

Για εφαρμογές που απαιτούν συμπαγή πακέτο, χαμηλές απώλειες εισαγωγής, καθορισμένη απόρριψη αρμονικών, υψηλή αξιοπιστία ή μη τυποποιημένη διεπαφή, ένα προσαρμοσμένο φίλτρο RF LC προσφέρει μια πρακτική λύση από το σχεδιασμό κυκλωμάτων μέχρι την παραγωγή RF με επικυρωμένη απόδοση.