एलसी लो-पास फ़िल्टर आरएफ पावर एम्पलीफायर से हार्मोनिक्स को कैसे दबाता है?

आरएफ पावर एम्पलीफायर्स एक वांछित रेडियो-आवृत्ति संकेत की शक्ति को बढ़ाते हैं, लेकिन कोई भी व्यावहारिक एम्पलीफायर पूर्णतः रैखिक नहीं होता है। जब एक ट्रांजिस्टर को संपीड़न के निकट चालित किया जाता है, तो उसका गैर-रैखिक व्यवहार मूल आवृत्ति के पूर्णांक गुणजों पर हार्मोनिक्स उत्पन्न करता है। उदाहरण के लिए, 100 मेगाहर्ट्ज़ पर काम करने वाला एक ट्रांसमीटर 200 मेगाहर्ट्ज़, 300 मेगाहर्ट्ज़ और उच्च आवृत्तियों पर अवांछित ऊर्जा उत्पन्न कर सकता है। यदि ये हार्मोनिक्स ऐंटीना तक पहुँच जाते हैं, तो वे विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का कारण बन सकते हैं, उत्सर्जन सीमाओं का उल्लंघन कर सकते हैं, वर्णक्रम दक्षता को कम कर सकते हैं और निकटस्थ रिसीवर्स को विघटित कर सकते हैं।

एलसी लो-पास फ़िल्टर सबसे व्यावहारिक समाधानों में से एक है। यह इंडक्टर्स और कैपेसिटर्स से बनाया जाता है और आवश्यक मूल आवृत्ति को पारित करता है, जबकि इसकी कट-ऑफ़ आवृत्ति से ऊपर के संकेतों को कम कर देता है। आरएफ मॉड्यूल, रेडियो ट्रांसमीटर, टेलीमेट्री उपकरण, रडार उप-प्रणालियाँ, उपग्रह टर्मिनल, परीक्षण उपकरण और अनुकूलित वायरलेस प्लेटफ़ॉर्म में, इस फ़िल्टर को आमतौर पर आरएफ पावर एम्पलीफायर के ठीक बाद स्थापित किया जाता है।

आरएफ पावर एम्पलीफायर क्यों हार्मोनिक्स उत्पन्न करते हैं

एक पूर्णतः रैखिक एम्पलीफायर इनपुट वेवफॉर्म को उच्च शक्ति पर पुनरुत्पादित करेगा, बिना उसके आकार में कोई परिवर्तन किए। हालाँकि, वास्तविक आरएफ उपकरणों में गैर-रैखिक लाभ, जंक्शन कैपेसिटेंस, बायस परिवर्तन और सैचुरेशन जैसी विशेषताएँ होती हैं। जैसे-जैसे आउटपुट शक्ति बढ़ती है, वेवफॉर्म विकृत हो जाता है, और यह विकृति आवृत्ति के क्षेत्र में हार्मोनिक्स के रूप में प्रकट होती है।

दूसरा हार्मोनिक वाहक आवृत्ति के दोगुनी आवृत्ति पर उत्पन्न होता है, तीसरा हार्मोनिक वाहक आवृत्ति के तीन गुना आवृत्ति पर, और इसी तरह आगे। इनके स्तर ट्रांजिस्टर प्रौद्योगिकी, एम्पलीफायर के वर्ग, बायस बिंदु, आउटपुट शक्ति, प्रतिबाधा मेल, और मॉडुलेशन पर निर्भर करते हैं। स्विचिंग या अत्यधिक संपीड़ित एम्पलीफायर उच्च दक्षता प्रदान कर सकते हैं, लेकिन आमतौर पर इन्हें मजबूत हार्मोनिक फिल्टरिंग की आवश्यकता होती है।

हार्मोनिक्स मापन प्रणालियों में गलत प्रतिक्रियाएँ भी उत्पन्न कर सकते हैं, नेविगेशन या संचार चैनलों में युग्मित हो सकते हैं, और निचले स्तर के घटकों पर तनाव बढ़ा सकते हैं। अतः हार्मोनिक दमन को एम्पलीफायर के आउटपुट डिज़ाइन का हिस्सा माना जाना चाहिए।

एलसी लो-पास फिल्टर कैसे काम करता है

एलसी लो-पास फिल्टर प्रेरकों और संधारित्रों के विपरीत आवृत्ति व्यवहार का उपयोग करता है। प्रेरक प्रतिघात आवृत्ति के साथ बढ़ता है:

XL = 2πfL

संधारित्र प्रतिघात आवृत्ति के बढ़ने के साथ घटता है:

XC = 1/(2πfC)

एक विशिष्ट संरचना में, श्रेणी इंडक्टर उच्च-आवृत्ति के हार्मोनिक धारा को रोकते हैं, जबकि शंट कैपेसिटर एक कम-प्रतिबाधा पथ प्रदान करते हैं जो अवांछित ऊर्जा को भू-संपर्क की ओर मोड़ देता है। मूल आवृत्ति पर, मानों का चयन इस प्रकार किया जाता है कि प्रविष्टि हानि कम बनी रहे, ताकि प्रवर्धक भार पर शक्ति को कुशलतापूर्ण रूप से स्थानांतरित कर सके।

कट-ऑफ आवृत्ति के ऊपर, क्षय अवांछित हार्मोनिक के प्रथम घटक के आवश्यक पासबैंड के सापेक्ष सापेक्षिक निकटता के आधार पर प्रतिक्रियाशील अनुभागों की संख्या और चयनित फ़िल्टर प्रतिक्रिया के अनुसार बढ़ता है। उच्च-क्रम का नेटवर्क एक तीव्र संक्रमण प्रदान करता है जब प्रथम अवांछित हार्मोनिक आवश्यक पासबैंड के सापेक्ष तुलनात्मक रूप से निकट होता है।

कट-ऑफ आवृत्ति का चयन

कट-ऑफ आवृत्ति को इतनी उच्च होना चाहिए कि आवश्यक सिग्नल और उसकी मॉडुलेशन बैंडविड्थ को पार करने दिया जा सके, लेकिन इतनी कम भी होनी चाहिए कि न्यूनतम महत्वपूर्ण हार्मोनिक को कम किया जा सके। एक संकीर्ण-बैंड 100 मेगाहर्ट्ज वाहक के लिए, कट-ऑफ को व्यस्त चैनल बैंडविड्थ के ऊपर और 200 मेगाहर्ट्ज के द्वितीयक हार्मोनिक के काफी नीचे स्थापित किया जा सकता है।

मॉड्यूलेटेड प्रणालियों के लिए, डिज़ाइनरों को पूरी अधिग्रहित बैंडविड्थ, स्पेक्ट्रल मास्क, उत्पादन आवृत्ति सहिष्णुता और तापमान विस्थापन पर विचार करना आवश्यक है। यदि कट-ऑफ को आवाश्यक बैंड के बहुत पास रखा जाता है, तो सिग्नल एन्वलप विकृत हो सकता है, त्रुटि वेक्टर परिमाण कम हो सकता है और प्रतिबिंबित शक्ति में वृद्धि हो सकती है। यदि कट-ऑफ को बहुत ऊँचे स्तर पर रखा जाता है, तो यह आवश्यक हार्मोनिक अवरोधन प्रदान करने में असमर्थ हो सकता है।

महत्वपूर्ण फ़िल्टर-डिज़ाइन इनपुट्स में शामिल हैं:

• मूल संचालन आवृत्ति
• अधिग्रहित सिग्नल बैंडविड्थ
• अधिकतम आरएफ आउटपुट शक्ति
• आवश्यक दूसरे और तीसरे क्रम के हार्मोनिक क्षीणन
• अधिकतम स्वीकार्य प्रविष्टि हानि
• स्रोत और लोड प्रतिबाधा
• कार्य तापमान सीमा
• पैकेजिंग आयाम
• कनेक्टर, सतह-माउंट या थ्रू-होल इंटरफ़ेस

इन पैरामीटर्स को मानक फ़िल्टर का चयन करने या एक अनुकूलित एलसी नेटवर्क विकसित करने से पहले परिभाषित किया जाना चाहिए।

फ़िल्टर क्रम और प्रतिक्रिया

फ़िल्टर क्रम निर्धारित करता है कि कट-ऑफ़ आवृत्ति के ऊपर अवशोषण कितनी तेज़ी से बढ़ता है। प्रत्येक अतिरिक्त प्रतिक्रियाशील घटक रोल-ऑफ़ में सुधार कर सकता है, लेकिन यह अतिरिक्त हानि, सहिष्णुता संवेदनशीलता, लागत और पीसीबी लेआउट जटिलता भी पैदा करता है।

बटरवर्थ प्रतिक्रिया अधिकतम समतल पासबैंड प्रदान करती है और तब उपयोगी होती है जब पासबैंड आयाम की स्थिरता महत्वपूर्ण होती है। चेबीशेव प्रतिक्रिया दिए गए फ़िल्टर क्रम के लिए अधिक तीव्र संक्रमण प्रदान करती है, लेकिन इसमें नियंत्रित पासबैंड रिपल शामिल होता है। एलिप्टिक प्रतिक्रिया संचरण शून्य बना सकती है और अत्यंत तीव्र अस्वीकृति उत्पन्न कर सकती है, हालाँकि यह घटक सहिष्णुताओं और पार्श्विक प्रभावों के प्रति अधिक संवेदनशील होती है।

आरएफ शक्ति प्रवर्धक के हार्मोनिक दमन के लिए, सर्वोत्तम समाधान स्वचालित रूप से उच्चतम-क्रम नेटवर्क नहीं होता है। इष्टतम डिज़ाइन हार्मोनिक अस्वीकृति, इन्सर्शन हानि, वोल्टेज तनाव, धारा संभाल क्षमता, निर्माणीयता, भौतिक आकार और प्रवर्धक स्थिरता के बीच संतुलन बनाता है।

कई व्यावहारिक ट्रांसमीटरों में, तीन से सात ध्रुवीय LC निम्न-पास फ़िल्टर अस्वीकृति प्रदर्शन और कार्यान्वयन जटिलता के बीच एक प्रभावी समझौता प्रदान करता है।

शक्ति संभालना, Q गुणांक और घटकों का चयन

छोटे-सिग्नल फ़िल्टर गणनाएँ केवल शुरुआत हैं। आरएफ शक्ति प्रवर्धक के आउटपुट पर, प्रेरक और संधारित्रों को उल्लेखनीय आरएफ धारा और वोल्टेज के संपर्क में आने का जोखिम हो सकता है। अपर्याप्त रेटिंग वाले घटक गर्म हो सकते हैं, डिट्यून हो सकते हैं, संतृप्त हो सकते हैं, फट सकते हैं या विफल हो सकते हैं।

प्रेरक का Q गुणांक संयोजन हानि को गहराई से प्रभावित करता है। उच्च-Q प्रेरक कम प्रतिरोधी हानि के साथ ऊर्जा संग्रहित करता है, जिससे ट्रांसमीटर दक्षता को बनाए रखने में सहायता मिलती है। संधारित्रों को कम तुल्यकालिक श्रृंखला प्रतिरोध, स्थिर धारिता, उपयुक्त आरएफ परावैद्युत विशेषताएँ और पर्याप्त वोल्टेज सुरक्षा सीमा प्रदान करनी चाहिए।

वोल्टेज रेटिंग को केवल नाममात्र की 50-ओम कार्यशैली की स्थिति के बजाय, प्रतिबाधा असंगति और स्थिर तरंगों को ध्यान में रखना चाहिए। खराब एंटीना मैच के तहत, फ़िल्टर के अंदर शिखर आरएफ वोल्टेज अपेक्षित से काफी अधिक हो सकता है।

घटक सहिष्णुता एक अन्य महत्वपूर्ण कारक है। प्रेरकत्व और धारिता में परिवर्तन कट-ऑफ आवृत्ति और हार्मोनिक अवरोधन बिंदुओं को स्थानांतरित कर सकते हैं। तापमान विसर्पण, पीसीबी पैरासिटिक्स, सोल्डर-पैड धारिता, ट्रेस प्रेरकत्व और आवरण प्रभाव मापी गई प्रतिक्रिया को और अधिक बदल सकते हैं।

उच्च आवृत्तियों पर काम करने वाले संक्षिप्त फ़िल्टर के लिए, उत्पादन इकाइयों के लक्ष्य विनिर्देशों को पूरा करना सुनिश्चित करने के लिए विद्युत चुंबकीय सिमुलेशन और सहिष्णुता विश्लेषण आवश्यक हैं।

आरएसवेव निम्न-पास, उच्च-पास, बैंड-पास और बैंड-स्टॉप विन्यास में आरएफ एलसी फ़िल्टर प्रदान करता है। इसकी उत्पाद श्रृंखला संकुचित सतह-माउंट और थ्रू-होल संरचनाओं का समर्थन करती है, जबकि विशिष्ट आरएफ प्रणालियों के लिए अनुकूलित आवृत्ति, क्षय, पैकेज और इंटरफ़ेस आवश्यकताओं को विकसित किया जा सकता है।

पीसीबी लेआउट और ग्राउंडिंग

आरएफ आवृत्तियों पर, पीसीबी और आवास फ़िल्टर सर्किट का हिस्सा बन जाते हैं। लंबे ट्रेस अवांछित प्रेरकत्व जोड़ते हैं, घटक पैड धारिता प्रविष्ट कराते हैं, और खराब ग्राउंडिंग स्टॉपबैंड क्षय को काफी कम कर सकती है।

एलसी फ़िल्टर को शक्ति-प्रवर्धक आउटपुट के जितना संभव हो सके निकट स्थापित किया जाना चाहिए। अंतर-संबंध छोटे, प्रतिबाधा में नियंत्रित और एक निरंतर ग्राउंड प्लेन के संदर्भ में होने चाहिए।

शंट संधारित्रों को कम प्रेरकता वाले ग्राउंड पथ की आवश्यकता होती है। प्रत्येक संधारित्र पैड के निकट कई ग्राउंडिंग वाया की स्थिति निर्धारित करनी चाहिए ताकि उच्च-आवृत्ति धारा कुशलतापूर्ण रूप से वापस लौट सके। संधारित्र और ग्राउंड के बीच लंबा पथ इस घटक को अपेक्षित हार्मोनिक क्षरण को प्रदान करने से रोक सकता है।

इनपुट और आउटपुट ट्रेस को भी भौतिक रूप से अलग रखा जाना चाहिए। जब उन्हें एक-दूसरे के निकट मार्गित किया जाता है, तो विद्युत चुंबकीय युग्मन के कारण हार्मोनिक ऊर्जा फ़िल्टर नेटवर्क को बाईपास कर सकती है। संकुचित या उच्च-शक्ति मॉड्यूल में, एक ग्राउंडेड धातु एन्क्लोजर या आंतरिक शील्डिंग पार्टीशन की आवश्यकता हो सकती है।

हालाँकि एलसी फ़िल्टर निष्क्रिय होता है, फिर भी इसकी सम्मिलित हानि आरएफ शक्ति के एक भाग को ऊष्मा में परिवर्तित कर देती है। पर्याप्त तांबे का क्षेत्र, वायु प्रवाह, तापीय संपर्क और आवास डिज़ाइन फ़िल्टर के स्थिर प्रदर्शन को बनाए रखने में सहायता करते हैं।

प्रतिबाधा मिलान और प्रवर्धक स्थिरता

निम्न-पास फ़िल्टर को एम्पलीफायर के आउटपुट मैचिंग नेटवर्क के साथ संयुक्त रूप से कार्य करना चाहिए। 50 ओम के नाममात्र के स्रोत और लोड प्रतिबाधा के लिए डिज़ाइन किए गए फ़िल्टर का पासबैंड के बाहर प्रतिक्रियात्मक प्रतिबाधा प्रस्तुत करना संभव है। अतः ट्रांजिस्टर द्वारा देखी गई प्रतिबाधा का मूल्यांकन एक विस्तृत आवृत्ति सीमा में किया जाना चाहिए।

हार्मोनिक आवृत्तियों पर, लोड प्रतिबाधा एम्पलीफायर की दक्षता, ड्रेन या कलेक्टर वोल्टेज स्विंग और ट्रांजिस्टर की विश्वसनीयता को प्रभावित कर सकती है। कुछ प्रणालियों में, निम्न-पास फ़िल्टर को आउटपुट मैचिंग नेटवर्क में एकीकृत किया जाता है ताकि यह प्रतिबाधा परिवर्तन और हार्मोनिक दमन दोनों का कार्य कर सके।

यह एकीकृत दृष्टिकोण घटकों की संख्या और मॉड्यूल के आकार को कम कर सकता है, लेकिन इसके लिए सामान्यतः सटीक ट्रांजिस्टर मॉडल, लोड-पुल डेटा और हार्मोनिक-संतुलन सिमुलेशन की आवश्यकता होती है।

वेक्टर नेटवर्क एनालाइज़र फुल-पावर परीक्षण से पहले फ़िल्टर के इंसर्शन लॉस, रिटर्न लॉस, कट-ऑफ़ आवृत्ति और स्टॉपबैंड अस्वीकृति को सत्यापित कर सकता है। तदुपरांत, हार्मोनिक उत्सर्जन को स्पेक्ट्रम एनालाइज़र, डायरेक्शनल कपलर, उपयुक्त आरएफ कमी और उचित रेटेड डमी लोड के साथ मापा जा सकता है।

परीक्षण में न्यूनतम और अधिकतम आपूर्ति वोल्टेज, तापमान की चरम स्थितियाँ, विभिन्न आउटपुट-शक्ति सेटिंग्स, उत्पादन घटकों की सहिष्णुता और प्रतिनिधित्वपूर्ण एंटीना मिसमैच स्थितियाँ शामिल होनी चाहिए।

कितना हार्मोनिक दमन संभव है?

अंतिम दमन स्तर एम्पलीफायर के मूल हार्मोनिक आउटपुट और प्रत्येक हार्मोनिक आवृत्ति पर फ़िल्टर के क्षीणन पर निर्भर करता है।

उदाहरण के लिए, मान लीजिए कि एक एम्पलीफायर −25 डीबीसी पर दूसरा हार्मोनिक उत्पन्न करता है। यदि एलसी लो-पास फ़िल्टर दूसरे हार्मोनिक आवृत्ति पर 35 डीबी का क्षीणन प्रदान करता है, तो सैद्धांतिक फ़िल्टर किया गया परिणाम −60 डीबीसी के निकट पहुँच सकता है।

वास्तविक माप विभिन्न कारकों जैसे कनेक्टर कपलिंग, पीसीबी विकिरण, अपर्याप्त ग्राउंडिंग, घटकों की स्व-अनुनादता, एन्क्लोजर रिसाव और माप की अनिश्चितता के कारण भिन्न हो सकते हैं।

एक तकनीकी रूप से सही सर्किट स्कीमैटिक भी तब खराब हार्मोनिक दमन प्रदान कर सकता है जब इसका भौतिक कार्यान्वयन आरएफ सिद्धांतों के अनुसार डिज़ाइन न किया गया हो। यही एक कारण है कि सिमुलेशन, पीसीबी डिज़ाइन, एन्क्लोजर डिज़ाइन और प्रयोगशाला में मान्यता को एकल इंजीनियरिंग प्रक्रिया के रूप में माना जाना चाहिए।

अधिक मांग वाले सिस्टमों के लिए, एलसी लो-पास फ़िल्टर को कैविटी फ़िल्टर, सेरामिक फ़िल्टर या वितरित ट्रांसमिशन-लाइन संरचना के साथ संयोजित किया जा सकता है। एलसी फ़िल्टर अपने संक्षिप्त आकार, एकीकरण लचीलापन और लागत दक्षता के कारण आकर्षक हैं। कैविटी फ़िल्टर कई मध्य- और उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों में उच्च Q गुणांक, कम प्रविष्टि हानि, मजबूत बाहर-बैंड अस्वीकृति और उच्च शक्ति संभालने की क्षमता प्रदान कर सकते हैं।

कस्टम एलसी लो-पास फ़िल्टर का चयन करना

जब कोई तैयार-किया गया घटक आवश्यक आवृत्ति, पैकेज, अस्वीकृति या शक्ति लक्ष्य को पूरा नहीं कर सकता है, तो एक अनुकूलित LC फ़िल्टर अक्सर वरीय होता है।

एक अनुकूलित फ़िल्टर के लिए अनुरोध करते समय, इंजीनियरों को निम्नलिखित जानकारी प्रदान करनी चाहिए:

• आवश्यक पासबैंड
• वांछित कटऑफ़ या संक्रमण क्षेत्र
• दूसरी और तीसरी हार्मोनिक आवृत्तियाँ
• अधिकतम पासबैंड इन्सर्शन नुकसान
• रिटर्न-लॉस या VSWR आवश्यकता
• स्टॉपबैंड कमी के लक्ष्य
• अधिकतम निरंतर और शिखर आरएफ शक्ति
• कार्य तापमान सीमा
• मैकेनिकल आयाम
• कनेक्टर या पिन विन्यास
• पर्यावरणीय और विश्वसनीयता आवश्यकताएँ

पूर्ण विशिष्टताएँ प्रदान करने से फ़िल्टर निर्माता उचित टॉपोलॉजी, घटक प्रौद्योगिकी, आवास संरचना और निर्माण प्रक्रिया का चयन कर सकता है।

RSWave के आरएफ घटक पोर्टफोलियो में एलसी फ़िल्टर, कैविटी फ़िल्टर, माइक्रोवेव डाईलेक्ट्रिक सेरामिक फ़िल्टर, डुप्लेक्सर, मल्टीप्लेक्सर और एंटीना शामिल हैं। ये उत्पाद संचार अवसंरचना, रडार का पता लगाना, उपग्रह संचार, नेविगेशन उपकरण, अनियंत्रित प्रणालियाँ, एयरोस्पेस मॉड्यूल, औद्योगिक आरएफ इलेक्ट्रॉनिक्स और अनुकूलित माइक्रोवेव प्लेटफ़ॉर्म में उपयोग किए जाते हैं।

निष्कर्ष

एक एलसी लो-पास फ़िल्टर मूल सिग्नल को पारित करते समय उच्च-आवृत्ति ऊर्जा को अस्वीकार करने के लिए श्रेणी प्रेरकत्व और शंट धारिता को जोड़कर आरएफ पावर-एम्पलीफायर के हार्मोनिक्स को दबाता है।

प्रभावी हार्मोनिक दमन केवल कट-ऑफ आवृत्ति का चयन करने से कहीं अधिक पर निर्भर करता है। फ़िल्टर क्रम, प्रतिक्रिया प्रकार, घटक का क्यू गुणक, शक्ति रेटिंग, प्रतिबाधा व्यवहार, ग्राउंडिंग, शील्डिंग, थर्मल प्रबंधन, पीसीबी लेआउट और उत्पादन सहिष्णुता सभी वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।

जब इन कारकों को एक साथ संबोधित किया जाता है, तो उचित रूप से अभियांत्रिकृत LC निम्न-पास फ़िल्टर द्वितीयक और तृतीयक हार्मोनिक उत्सर्जन को काफी हद तक कम कर सकता है, विद्युत चुम्बकीय संगतता में सुधार कर सकता है, निकटस्थ रिसीवर्स की सुरक्षा कर सकता है, और एक आरएफ ट्रांसमीटर को उसकी स्पेक्ट्रल आवश्यकताओं को पूरा करने में सहायता प्रदान कर सकता है।

संकुचित पैकेज, कम इन्सर्शन हानि, परिभाषित हार्मोनिक अस्वीकृति, उच्च विश्वसनीयता या गैर-मानक इंटरफ़ेस की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, एक अनुकूलित आरएफ एलसी फ़िल्टर सर्किट डिज़ाइन से उत्पादन-तैयार आरएफ प्रदर्शन तक एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।