Ինչպես է LC ցածրահաճախային ֆիլտրը ճնշում ռադիոհաճախային հզորության ամպլիֆիկատորից առաջացած հարմոնիկները?

Ռադիոհաճախային հզորության ամպլիֆիկատորները մեծացնում են ցանկալի ռադիոհաճախային սիգնալի հզորությունը, սակայն որևէ գործնական ամպլիֆիկատոր չի կարող լինել բացարձակ գծային։ Երբ տրանզիստորը աշխատում է սեղմման սահմանին մոտ, նրա ոչ գծային վարքագիծը առաջացնում է հարմոնիկներ հիմնական հաճախականության ամբողջ թվային բազմապատիկներում։ Օրինակ՝ 100 ՄՀց-ով աշխատող հեռարձակիչը կարող է առաջացնել անցանկալի էներգիա 200 ՄՀց, 300 ՄՀց և ավելի բարձր հաճախականություններում։ Եթե այդ հարմոնիկները հասնեն անտենային, դրանք կարող են առաջացնել էլեկտրամագնիսական միջամտություն, խախտել ճառագայթման սահմանափակումները, նվազեցնել սպեկտրային արդյունավետությունը և խա disturb մոտակա ընդունիչները։

LC ցածր անցման ֆիլտրը ամենատարածված լուծումներից մեկն է: Կառուցված է ինդուկտորներից եւ կոնդենսատորներից, այն անցնում է անհրաժեշտ հիմնական հաճախականությունը, իսկ ազդանշանները խոնավացնում է սահմանված հաճախականությունից բարձր: ՀԱՄ մոդուլներում, ռադիո փոխանցիչներում, հեռաչափման սարքավորումների, ռադարային ենթահամակարգերում, արբանյակային տերմինալներում, փորձարկման գործիքներում եւ հարմարեցված անլար հարթակներում ֆիլտրը սովորաբար տեղադրվում է անմիջապես ՀԱՄ

Ինչու են ռադիոֆրիկային հզորության ամրապնդիչները հորմոնիկներ առաջացնում

Հավանաբար, լինեար ամրապնդիչը կվերարտադրի մուտքային ալիքային ձեւը ավելի բարձր հզորությամբ՝ առանց դրա ձեւը փոխելու: Իրական ռադիոֆրիկային սարքերը, սակայն, ցուցադրում են ոչ գծային շահույթ, միացման հզորություն, կողմնորոշման փոփոխություն եւ հագեցվածություն: Երբ ելքի հզորությունը մեծանում է, ալիքային ձեւը խեղաթյուրվում է, եւ այդ խեղաթյուրումը հաճախականության ոլորտում հայտնվում է որպես հորմոնիկա:

Երկրորդ հարմոնիկը առաջանում է կրողի հաճախականության երկու անգամ բարձր հաճախականության վրա, երրորդը՝ երեք անգամ բարձր հաճախականության վրա և այլն: Դրանց մակարդակները կախված են տրանզիստորային տեխնոլոգիայից, ամպլիֆիկատորի դասից, կետավորման կետից, ելքային հզորությունից, իմպեդանսի համապատասխանեցման աստիճանից և մոդուլյացիայից: Անցման կամ բարձր սեղմված ամպլիֆիկատորները կարող են ապահովել բարձր էֆեկտիվություն, սակայն սովորաբար պահանջում են ավելի ուժեղ հարմոնիկների ֆիլտրացում:

Հարմոնիկները կարող են նաև ստեղծել սխալ պատասխաններ չափման համակարգերում, միանալ նավիգացիոն կամ կապի ալիքներին և մեծացնել ճնշումը հետագա բաղադրիչների վրա: Հետևաբար, հարմոնիկների ճնշումը պետք է դիտարկվի որպես ամպլիֆիկատորի ելքային դիզայնի մաս:

Ինչպես է աշխատում LC ցածրահաճախային ֆիլտրը

LC ցածրահաճախային ֆիլտրը օգտագործում է ինդուկտորների և կոնդենսատորների հակադիր հաճախականության վարքագիծը: Ինդուկտիվ ռեակտանսը աճում է հաճախականության մեծացման հետ մեկտեղ.

XL = 2πfL

Կապակցված ռեակտանսը նվազում է հաճախականության մեծացման հետ մեկտեղ.

XC = 1/(2πfC)

Տիպիկ տոպոլոգիայում հաջորդաբար միացված ինդուկտիվությունները խոչընդոտում են բարձր հաճախականության հարմոնիկ հոսանքին, իսկ զուգահեռ միացված կոնդենսատորները ստեղծում են ցածր իմպեդանսով ճանապարհ, որով անցում է անցանկալի էներգիան՝ ուղղված դեպի հող։ Հիմնական հաճախականության դեպքում արժեքները ընտրվում են այնպես, որ մուտքային կորուստը մնա ցածր, որպեսզի ամպլիֆիկատորը արդյունավետ կերպով փոխանցի հզորությունը բեռնվածությանը։

Կտրման հաճախականությունից բարձր հաճախականություններում թուլացումը աճում է՝ կախված ռեակտիվ բաժինների քանակից և ընտրված ֆիլտրի պատասխանից։ Բարձր կարգի ցանցը ապահովում է ավելի սուր անցում, երբ առաջին անցանկալի հարմոնիկը համեմատաբար մոտ է անհրաժեշտ անցման շերտին։

Կտրման հաճախականության ընտրություն

Կտրման հաճախականությունը պետք է բավարարի երկու պայման՝ բավարար բարձր լինել այնքան, որ անցանկալի ազդանշանը և դրա մոդուլյացիայի ընդգրկման շերտը անցնեն, բայց բավարար ցածր՝ թուլացնելու ամենացածր կարևոր հարմոնիկը։ Նեղ շերտի 100 ՄՀց կրող ազդանշանի դեպքում կտրման հաճախականությունը կարող է տեղադրվել զբաղեցված ալիքային շերտից բարձր և 200 ՄՀց երկրորդ հարմոնիկից զգալիորեն ցածր։

Մոդուլյացված համակարգերի համար նախագծողները ստիպված են հաշվի առնել ամբողջ զբաղեցված ընդհանուր լայնությունը, սպեկտրային մասկավորումը, արտադրության հաճախականության թույլատրելի շեղումը և ջերմաստիճանի շեղումը: Ցանկալի շերտին չափազանց մոտ տեղադրված կտրման հաճախականությունը կարող է աղավաղել ազդանշանի շարժաբանը, վատացնել սխալի վեկտորային մեծությունը և մեծացնել արտացոլված հզորությունը: Չափազանց բարձր տեղադրված կտրման հաճախականությունը կարող է ապահովել անբավարար հարմոնիկ մեկուսացում:

Կարևոր ֆիլտրի նախագծման մուտքային տվյալներն են.

• Հիմնարար աշխատանքային հաճախականություն
• Զբաղեցված ազդանշանի ընդհանուր լայնություն
• Առավելագույն ՌՖ ելուտային հզորություն
• Պահանջվող երկրորդ և երրորդ հարմոնիկների թուլացում
• Թույլատրելի առավելագույն մուտքային կորուստ
• Աղբյուրի և բեռնվածության իմպեդանս
• Գործառնական ջերմաստիճանի միջակայք
• Փաթեթի չափերը
• Կապակցիչ, մակերևույթին մոնտաժվող կամ անցքի միջոցով մոնտաժվող ինտերֆեյս

Այս պարամետրերը պետք է սահմանվեն ստանդարտ ֆիլտրի ընտրությունից կամ արտադրության համար անհատականացված LC ցանցի մշակմանից առաջ:

Ֆիլտրի կարգը և պատասխանը

Ֆիլտրի կարգը որոշում է, թե ինչպես է աճում թույլատրելի հաճախականությունից դուրս անցումը: Յուրաքանչյուր լրացուցիչ ռեակտիվ բաղադրիչ կարող է բարելավել անցման թեքությունը, սակայն նաև ներմուծում է լրացուցիչ կորուստ, թույլատրելի սխալների զգայունություն, ծախսեր և տպագրված շղթայի դասավորման բարդություն։

Բաթերվորթի պատասխանը ապահովում է մեծագույն հարթ անցման շերտ և օգտակար է, երբ կարևոր է անցման շերտի ամպլիտուդի համասեռությունը: Չեբիշևի պատասխանը տրամադրում է ավելի սուր անցում տրված ֆիլտրի կարգի դեպքում, սակայն ներմուծում է վերահսկվող անցման շերտի ալիքավորում: Էլիպսային պատասխանը կարող է ստեղծել փոխանցման զրոներ և արտակարգ սուր մերժում, սակայն այն ավելի զգայուն է բաղադրիչների թույլատրելի սխալների և պարազիտային էֆեկտների նկատմամբ։

ՌԱ հզորության ամպլիֆիկատորի հարմոնիկների ճնշման համար լավագույն լուծումը ավտոմատաբար չի համապատասխանում ամենաբարձր կարգի ցանցին: Իրականացվող օպտիմալ նախագիծը հավասարակշռում է հարմոնիկների մերժումը, մուտքային կորուստը, լարման լարվածությունը, հոսանքի կրման ունակությունը, արտադրելիությունը, ֆիզիկական չափսերը և ամպլիֆիկատորի կայունությունը:

Բազմաթիվ գործնական հաղորդիչներում երեքից մինչև յոթ բևեռ LC ներքևի հաճախականությունների ֆիլտրը մերժման արդյունավետության և իրականացման բարդության միջև արդյունավետ համարժեքություն է ապահովում։

Հզորության կրողականություն, Q գործակից և կոմպոնենտների ընտրություն

Փոքր սիգնալային ֆիլտրի հաշվարկները միայն սկիզբն են։ RF հզորության համարձակիչի ելքում ինդուկտորները և կոնդենսատորները կարող են ենթարկվել զգալի RF հոսանքի և լարման։ Բավարար հատկորոշումներ չունեցող կոմպոնենտները կարող են տաքանալ, դետյունավորվել, հագեցվել, ճեղքվել կամ ձախողվել։

Ինդուկտորի Q գործակիցը ուժեղ ազդում է ներդրման կորստի վրա։ Բարձր Q ինդուկտորը էներգիան պահպանում է ցածր օհմիկ կորուստով, օգնելով պահպանել հաղորդիչի արդյունավետությունը։ Կոնդենսատորները պետք է ապահովեն ցածր համարժեք սերիական դիմադրություն, կայուն տարողականություն, համապատասխան RF դիէլեկտրիկ հատկություններ և բավարար լարման անվտանգության աստիճան։

Լարման գնահատականը պետք է հաշվի առնի դիմադրության չհամապատասխանությունը և կանգուն ալիքները՝ ոչ միայն նոմինալ 50 Օմ-ի շահագործման պայմանները: Վատ հարմարված անտենայի դեպքում ֆիլտրի ներսում ՌՀ լարման պիկային արժեքը կարող է զգալիորեն բարձր լինել սպասվողից։

Բաղադրիչների ճշգրտությունը մեկ այլ կարևոր գործոն է: Ինդուկտիվության և կապացիտետի փոփոխությունները կարող են տեղաշարժել կտրման հաճախականությունը և հարմոնիկ մերժման կետերը: Ջերմաստիճանի շեղումը, ՊԿԲ-ի պարազիտային էֆեկտները, սոլդատավորման մակերեսի կապացիտետը, հետագծի ինդուկտիվությունը և կապույտի ազդեցությունը կարող են ավելի շատ փոխել չափված պատասխանը։

Փոքր չափսերի ֆիլտրների համար, որոնք աշխատում են բարձր հաճախականություններում, էլեկտրամագնիսական մոդելավորումն ու ճշգրտության վերլուծությունը անհրաժեշտ են արտադրվող միավորների նպատակային սպեցիֆիկացիաներին համապատասխանելու համար։

RSWave-ը մատակարարում է RF LC ֆիլտրներ ցածրահաճախային, բարձրահաճախային, շերտավոր և շերտային կանգնեցման կառուցվածքներով: Ընկերության արտադրանքի սպեկտրը աջակցում է կոմպակտ մակերեսային մոնտաժի և անցումային անցքերի կառուցվածքներին, իսկ հատուկ RF համակարգերի համար կարող են մշակվել հարմարեցված հաճախականություն, թուլացում, փաթեթավորում և միացման միջերեսի պահանջներ:

PCB-ի դասավորություն և հողակցում

RF հաճախականություններում PCB-ն ու կապսուլը դառնում են ֆիլտրի շղթայի մաս: Երկար միացման գծերը ավելացնում են անցանկալի ինդուկտիվություն, կոմպոնենտների մակերեսները՝ կապակցվածություն, իսկ անբավարար հողակցումը կարող է զգալիորեն նվազեցնել կանգնեցման շերտի թուլացումը:

LC ֆիլտրը պետք է տեղադրվի հնարավորին չափ մոտ հզորության ամպլիֆիկատորի ելքին: Միացման գծերը պետք է կարճ լինեն, իմպեդանսը՝ վերահսկվող, իսկ հղումը՝ անընդհատ հողակցման հարթությանը:

Շունտային կոնդենսատորները պահանջում են ցածր ինդուկտիվությամբ հողավորման ճանապարհներ: Բազմաթիվ հողավորման անցքեր պետք է տեղադրվեն յուրաքանչյուր կոնդենսատորի պադի մոտ, որպեսզի բարձր հաճախականության հոսանքը արդյունավետ վերադառնա հողին: Կոնդենսատորի և հողի միջև երկար ճանապարհը կարող է կանխել բաղադրիչի սպասվող հարմոնիկ թուլացման ապահովումը:

Մուտքի և ելքի հետագծերը նույնպես պետք է ֆիզիկապես առանձնացված լինեն: Երբ դրանք տեղադրվում են միմյանց մոտ, էլեկտրամագնիսական կապը կարող է թույլ տալ հարմոնիկ էներգիայի շրջանցել ֆիլտրավորման ցանցը: Փոքր չափսերով կամ բարձր հզորության մոդուլներում կարող է պահանջվել հողավորված մետաղական պաշտպանիչ կամ ներքին էկրանավորման բաժանարար:

Չնայած LC ֆիլտրը պասիվ է, նրա մուտքային կորուստը ՌՀ հզորության մի մասը վերածում է ջերմության: Բավարար պղնձե մակերեսը, օդի հոսանքը, ջերմային կապը և կապսուլի դիզայնը օգնում են պահպանել ֆիլտրի կայուն աշխատանքը:

Իմպեդանսի համապատասխանեցում և ամպլիֆիկատորի կայունություն

Ստորին անցքի ֆիլտրը ստիպված է աշխատել համատեղ ամպլիֆիկատորի ելքային համապատասխանեցման ցանցի հետ: 50 Օմ նոմինալ աղբյուրի և բեռնվածքի դիմադրությունների համար նախագծված ֆիլտրը կարող է առաջացնել ռեակտիվ դիմադրություն անցման շերտից դուրս: Հետևաբար, տրանզիստորին տեսանելի դիմադրությունը պետք է գնահատվի լայն հաճախականության տիրույթում:

Հարմոնիկ հաճախականություններում բեռնվածքի դիմադրությունը կարող է ազդել ամպլիֆիկատորի արդյունավետության, դրեյնի կամ կոլեկտորի լարման ճակատագրի և տրանզիստորի հուսալիության վրա: Որոշ համակարգերում ստորին անցքի ֆիլտրը ինտեգրված է ելքային համապատասխանեցման ցանցի մեջ, որպեսզի այն կատարի ինչպես դիմադրության փոխակերպման, այնպես էլ հարմոնիկների ճնշման գործառույթները:

Այս ինտեգրված մոտեցումը կարող է նվազեցնել բաղադրիչների քանակը և մոդուլի չափսերը, սակայն սովորաբար պահանջում է ճշգրիտ տրանզիստորների մոդելներ, բեռնվածքի քաշման տվյալներ և հարմոնիկ հավասարակշռության մոդելավորում:

Վեկտորային ցանցի վերլուծիչը կարող է ստուգել ֆիլտրի մուտքային կորուստը, արտացոլված կորուստը, կտրման հաճախականությունը և կանգնացման շերտի մերժումը լիարժեք հզորությամբ փորձարկումից առաջ: Հարմոնիկ ճառագայթումները այնուհետև կարող են չափվել սպեկտրի վերլուծիչով, ուղղությամբ կապիչով, համապատասխան ՌՖ թուլացմամբ և ճիշտ վարկանշված կեղծ բեռնվածքով։

Փորձարկումները պետք է ընդգրկեն նվազագույն և առավելագույն մատակարարման լարումները, ջերմաստիճանի ծայրահեղ արժեքները, տարբեր ելուտային հզորության կարգավորումները, արտադրության մեջ օգտագործվող բաղադրիչների թույլատրելի շեղումները և ներկայացուցչական անտենայի անհամապատասխանության պայմանները։

Որքա՞ն հարմոնիկ ճնշում է հնարավոր։

Վերջնական ճնշման մակարդակը կախված է ամպլիֆիկատորի սկզբնական հարմոնիկ ելքից և ֆիլտրի թուլացումից յուրաքանչյուր հարմոնիկ հաճախականության վրա։

Օրինակ՝ ենթադրենք, որ ամպլիֆիկատորը առաջացնում է երկրորդ հարմոնիկ −25 dBc մակարդակով: Եթե LC ցածրահաճախական ֆիլտրը այդ երկրորդ հարմոնիկ հաճախականության վրա ապահովում է 35 դԲ թուլացում, ապա տեսականորեն ֆիլտրված արդյունքը կարող է մոտենալ −60 dBc-ի։

Իրական չափումները կարող են տարբերվել միացման սարքի միացման, ՊՔԲ-ի ճառագայթման, անբավարար հողաշարժման, բաղադրիչների ինքնառեզոնանսի, պատյանի արտահոսքի և չափման անորոշության պատճառով։

Տեխնիկապես ճշմարիտ շղթայի սխեման կարող է այնուամենայնիվ վատ հարմոնիկների ճնշում տալ, եթե նրա ֆիզիկական իրականացումը չի նախագծվում ՌՖ սկզբունքների համաձայն։ Դա մեկ պատճառն է, որով սիմուլյացիան, ՊՔԲ-ի նախագծումը, պատյանի նախագծումը և լաբորատորիայում վավերացումը պետք է դիտվեն որպես մեկ ինժեներական գործընթաց։

Ավելի պահանջվող համակարգերի համար LC ցածրահաճախային ֆիլտրը կարող է միավորվել խոռոչային ֆիլտրի, կերամիկական ֆիլտրի կամ բաշխված փոխանցման գծի կառուցվածքի հետ։ LC ֆիլտրները գրավիչ են իրենց փոքր չափսերի, ինտեգրման ճկունության և արժեքային արդյունավետության պատճառով։ Խոռոչային ֆիլտրները շատ միջին և բարձր հաճախային կիրառումներում կարող են ապահովել բարձր Q գործակից, ցածր մուտքային կորուստ, ուժեղ դուրս գտնվող շրջանների մերժում և մեծ հզորության կրման հնարավորություն։

Ընտրել հարմարեցված LC ցածրահաճախային ֆիլտր

Հաճախ նախընտրելի է հարմարեցված LC ֆիլտրը, երբ պատրաստի բաղադրիչը չի բավարարում անհրաժեշտ հաճախականության, փաթեթավորման, մեկուսացման կամ հզորության պահանջները։

Պատվերի հարմարեցված ֆիլտրի դեպքում ինժեներները պետք է ներկայացնեն՝

• Անհրաժեշտ անցման շերտ
• Ցանկալի կտրման կամ անցման շրջան
• Երկրորդ և երրորդ հարմոնիկ հաճախականություններ
• Առավելագույն անցման շերտի մուտքային կորուստ
• Վերադարձի կորուստը կամ VSWR-ի պահանջը
• Կանգնած շերտի թուլացման նպատակային արժեքներ
• Առավելագույն շարունակական և գագաթային RF հզորություն
• Գործառնական ջերմաստիճանի միջակայք
• Մեխանիկական չափումներ
• Միացնիչի կամ շիրտերի կոնֆիգուրացիա
• Շրջակա միջավայրի և հուսալիության պահանջներ

Լրիվ սպեցիֆիկացիաների տրամադրումը թույլ է տալիս ֆիլտրի արտադրողին ընտրել համապատասխան տոպոլոգիա, բաղադրիչների տեխնոլոգիա, տուփի կառուցվածք և արտադրական գործընթաց։

RSWave-ի ՌԾ բաղադրիչների պորտֆելը ներառում է LC ֆիլտրներ, խոռխային ֆիլտրներ, միկրաալիքային դիէլեկտրիկ կերամիկական ֆիլտրներ, դուպլեքսորներ, մուլտիպլեքսորներ և անտենաներ։ Դրանք աՊՐԱՆՔՆԵՐ օգտագործվում են կապի ենթակառուցվածքում, ռադարային հայտնաբերման համակարգերում, արբանյակային կապում, նավիգացիոն սարքավորումներում, անհատական համակարգերում, տիեզերական մոդուլներում, արդյունաբերական ՌԾ էլեկտրոնիկայում և հարմարեցված միկրաալիքային հարթակներում։

Եզրակացություն

LC ցածրահաճախային ֆիլտրը ճնշում է ՌԾ հզորության ամպլիֆիկատորի հարմոնիկները՝ միաժամանակ օգտագործելով հաջորդական ինդուկտիվություն և զուգահեռ միացված մեկուսիչություն՝ անցկացնելով հիմնական ազդանշանը և մերժելով բարձր հաճախականության էներգիան։

Արդյունավետ հարմոնիկների ճնշումը կախված է շատ ավելի շատ բաներից, քան կտրման հաճախականության ընտրությունը։ Ֆիլտրի կարգը, պատասխանի տիպը, բաղադրիչների Q գործակիցը, հզորության գնահատականը, իմպեդանսի վարքագիծը, հողակցումը, էկրանավորումը, ջերմային կառավարումը, ՊԿԲ-ի դասավորությունը և արտադրական թույլատրելի շեղումները բոլորը ազդում են իրական աշխարհում ֆիլտրի աշխատանքի վրա։

Երբ այս գործոնները համատեղ հաշվի են առնվում, ճիշտ ինժեներական պատրաստված LC ցածր հաճախության ֆիլտրը կարող է զգալիորեն նվազեցնել երկրորդ և երրորդ հարմոնիկ արտանետումները, բարելավել էլեկտրամագնիսական համատեղելիությունը, պաշտպանել մոտակա ընդունիչները և օգնել RF հաղորդիչին բավարարել իր սպեկտրալ պահանջները։

Կոմպակտ փաթեթավորման, ցածր ներդրման կորստի, սահմանված հարմոնիկ մերժման, բարձր հուսալիության կամ ստանդարտ չհանդիսացող ինտերֆեյսի պահանջող կիրառությունների համար հարմարեցված RF LC ֆիլտրը ապահովում է գործնական ճանապարհ սխեմատեխնիկական նախագծումից մինչև արտադրության պատրաստ RF աշխատանքային բնութագրեր։