Kaip LC žemo dažnio filtras slopina harmonikas iš RF galios stiprintuvo?

RF galios stiprintuvai padidina norimo radijo dažnio signalo galia, tačiau joks praktiškai naudojamas stiprintuvas nėra visiškai tiesinis. Kai tranzistorius veikiamas arti suspaudimo ribos, jo netiesinis elgesys sukuria harmonikas, esančias sveikųjų skaičių kartotiniuose nuo pagrindinio dažnio. Pavyzdžiui, 100 MHz dažnyje veikiantis siųstuvys gali sukurti nepageidaujamą energiją 200 MHz, 300 MHz ir aukštesniuose dažniuose. Jei šios harmonikos pasiekia anteną, jos gali sukelti elektromagnetinį triukšmą, pažeisti išmetamųjų signalų ribas, sumažinti spektrinę naudingumą ir sutrikdyti šalia esančius imtuvus.

LC žemosios pralaidumo filtras yra vienas praktiškiausių sprendimų. Jis sudarytas iš induktyvumo elementų ir kondensatorių ir praleidžia reikiamą pagrindinį dažnį, tuo tarpu slopindamas signalus, kurių dažnis viršija jo kirpties dažnį. Šis filtras dažnai montuojamas tiesiogiai po RF galios stiprintuvo radijo ryšio moduliuose, radijo siųstuviuose, telemetrinėje įrangoje, radarų posistemėse, palydovų terminaluose, bandymų prietaisuose ir specializuotose belaidės ryšio platformose.

Kodėl RF galios stiprintuvai sukuria harmonikas

Visiškai tiesinis stiprintuvas įėjimo bangos formą atkurtų didesne galia, nepakeisdamas jos formos. Tačiau tikrieji RF įrenginiai parodo netiesinį stiprinimą, jungties talpą, nuolatinės srovės (bias) kitimą ir sotį. Kai išėjimo galia didėja, bangos forma išsiskreipia, o šis išsiskreižimas dažnių srityje pasireiškia kaip harmonikos.

Antra harmonika atsiranda dvigubai didesniame nešėjo dažnyje, trečioji – triskart didesniame nešėjo dažnyje ir t. t. Jų lygiai priklauso nuo tranzistorių technologijos, stiprintuvo klasės, nuolatinės srovės (bias) taško, išėjimo galios, impedanso pritaikymo ir moduliavimo. Perjungimo ar labai suspausti stiprintuvai gali užtikrinti aukštą naudingumo koeficientą, tačiau dažniausiai reikalauja stipresnio harmonikų filtras.

Harmonikos taip pat gali sukelti klaidingus atsakus matavimo sistemose, įsiterpti į navigacijos ar ryšių kanalus ir padidinti apkrovą žemiau esantiems komponentams. Todėl harmonikų slopinimą reikėtų laikyti stiprintuvo išėjimo konstrukcijos dalimi.

Kaip veikia LC žemo dažnio filtras

LC žemo dažnio filtras naudoja induktorių ir kondensatorių priešingą dažnio elgseną. Induktyvioji reaktancija didėja didėjant dažniui:

XL = 2πfL

Kondensacinė reaktancija mažėja didėjant dažniui:

XC = 1/(2πfC)

Tipiškoje topologijoje eilėje esantys induktoriai trukdo aukšto dažnio harmoninėms srovėms, o šuntiniai kondensatoriai sukuria mažos varžos kelią, kuris nukreipia netinkamą energiją į žemę. Pagrindiniame dažnyje komponentų vertės parenkamos taip, kad įterpimo nuostoliai būtų maži, todėl stiprintuvas gali efektyviai perduoti galią apkrovai.

Virš atrankos dažnio slopinimas auga priklausomai nuo reaktyvių sekcijų skaičiaus ir pasirinktos filtro charakteristikos. Aukštesnio laipsnio tinklas užtikrina staigesnį perėjimą, kai pirmoji netinkama harmoninė dedamoji yra santykinai arti reikiamo pralaidumo juostos.

Atrankos dažnio parinkimas

Apsukos dažnis turi būti pakankamai aukštas, kad praleistų norimą signalą ir jo moduliavimo juostą, tačiau pakankamai žemas, kad sumažintų žemiausią svarbų harmoniką. Siaurajuosčiui 100 MHz nešančiajam dažniui apsukos dažnį galima nustatyti virš užimamos kanalo juostos pločio ir gerokai žemiau 200 MHz antrosios harmonikos.

Moduliuotose sistemose projektuotojai turi atsižvelgti į visą užimamą juostą, spektrinę kaukę, gamybos dažnio toleranciją ir temperatūrinį poslinkį. Jei apsukos dažnis nustatytas per arti norimos juostos, tai gali iškraipyti signalo aplinką, pabloginti klaidų vektorinę dydį (EVM) ir padidinti atsispindėjusią galią. Per aukštas apsukos dažnis gali neužtikrinti pakankamo harmonikų slopinimo.

Svarbūs filtre reikalingi duomenys yra:

• Pagrindinis veikimo dažnis
• Užimamas signalo juostos plotis
• Didžiausia leidžiama RF išėjimo galia
• Reikalaujamas antrųjų ir trečiųjų harmonikų slopinimas
• Didžiausia leidžiama įterpimo nuostoliai
• Šaltinio ir apkrovos varža
• Veiklos temperatūros intervalas
• Paketo matmenys
• Jungtis, paviršiaus montavimo ar per skylę montuojama sąsaja

Šie parametrai turi būti apibrėžti prieš pasirenkant standartinį filtrą ar kurtinant specialų LC tinklą.

Filto eilė ir atsakas

Filto eilė nustato, kaip greitai slopinimas didėja už kirpimo dažnio. Kiekvienas papildomas reaktyvusis komponentas gali pagerinti nuopuolį, tačiau taip pat įveda papildomą nuostolį, jautrumą tolerancijoms, sąnaudas ir sudėtingumą spausdintosios grandinės (PCB) išdėstyme.

Buterwortho atsakas užtikrina maksimaliai plokščią praeities juostą ir yra naudingas, kai svarbi praeities juostos amplitudės vientisumas. Čebišovo atsakas suteikia statresnį perėjimą tam pačiam filto eilės skaičiui, bet įveda kontroliuojamą praeities juostos svyravimą. Elipsinis atsakas gali sukurti perdavimo nulius ir labai aštrų slopinimą, nors jis yra jautresnis komponentų tolerancijoms ir parazitinėms aplinkybėms.

RF galios stiprintuvo harmonikų slopinimui geriausias sprendimas nėra automatiškai aukščiausios eilės tinklas. Optimalus projektavimas subalansuoja harmonikų slopinimą, įterpimo nuostolius, įtampos apkrovą, srovės perdavimo gebėjimą, gamybos įmanomumą, fizinį dydį ir stiprintuvo stabilumą.

Daugelyje praktinių siųstuvų tris–septynis polius turintis LC žemųjų dažnių filtras užtikrina veiksmingą kompromisinį sprendimą tarp slopinimo našumo ir realizavimo sudėtingumo.

Galios perdavimas, kokybės faktorius ir komponentų parinkimas

Mažųjų signalų filtro skaičiavimai yra tik pradžia. RF galios stiprintuvo išėjime induktoriai ir kondensatoriai gali būti veikiami reikšmingos RF srovės ir įtampos. Komponentai su nepakankamais nominaliais parametrais gali įkaisti, išsiderinti, satura, įtrūkti arba sugesti.

Induktyvumo elementų kokybės koeficientas (Q) stipriai veikia įterpimo nuostolius. Aukštesnio Q induktyvumo elementas energiją kaupia su mažesniais aktyviaisiais nuostoliais, todėl padeda išlaikyti siųstuvo naudingumo koeficientą. Kondensatoriai turėtų užtikrinti žemą ekvivalentinę nuosekliąją varžą, stabilų talpumą, tinkamas RF dielektrines savybes ir pakankamą įtampų atsarginę normą.

Įtampų vertė turi būti parenkama atsižvelgiant į impedansų neatitikimą ir stovinčiąją bangą, o ne tik į nominalią 50 omų darbinę sąlygą. Blogai pritaikytos antenos atveju filtruose esanti maksimali RF įtampa gali būti žymiai didesnė nei tikėtina.

Komponentų tikslumo laipsnis – dar vienas svarbus veiksnys. Induktyvumo ir talpumo reikšmių svyravimai gali pakeisti nukirpimo dažnį ir harmonikų slopinimo taškus. Temperatūros pokyčiai, spausdintinės plokštės parazitinės charakteristikos, litavimo aikštelės talpumas, laidų induktyvumas ir korpuso poveikis gali dar labiau pakeisti išmatuotą atsaką.

Kompaktiškų filtrų, veikiančių aukštesnėmis dažnių reikšmėmis, elektromagnetinė simuliacija ir nuokrypių analizė yra būtinos, kad būtų užtikrinta, jog gamybos vienetai atitinka nustatytus techninius reikalavimus.

RSWave tiekia RF LC filtrus žemos dažnio praleidimo, aukštos dažnio praleidimo, juostos praleidimo ir juostos stabdymo konfiguracijose. Jo produktų asortimentas palaiko kompaktiškas paviršiaus montavimo ir per skylę montuojamas konstrukcijas, o specializuotoms RF sistemoms galima kurti pritaikytus dažnius, slopinimą, korpusus ir sąsajos reikalavimus.

SPS išdėstymas ir įžeminimas

RF dažniuose spausdintinės grandinės plokštė (SPS) ir korpusas tampa filtro grandinės dalimi. Ilgos laidų linijos prideda nenorimos induktyvumo, komponentų kontaktų plotai sukelia talpą, o netinkamas įžeminimas gali žymiai sumažinti stabdymo juostos slopinimą.

LC filtrą reikėtų montuoti kuo arčiau galios stiprintuvo išvesties. Jungtys turėtų būti trumpos, turėti kontroliuojamą impedansą ir remtis nepertrauktine įžeminimo plokštuma.

Šuntiniai kondensatoriai reikalauja mažos induktyvumo įžeminimo takų. Kelios įžeminimo skyles turėtų būti įrengtos kiek įmanoma arčiau kiekvieno kondensatoriaus padų, kad aukšto dažnio srovė galėtų efektyviai grįžti į žemę. Ilgas takas tarp kondensatoriaus ir žemės gali užkirsti kelią komponentui teikti tikėtą harmonikų slopinimą.

Įėjimo ir išėjimo laidai taip pat turėtų būti fiziškai atskirti. Kai jie vedami arti vienas kito, elektromagnetinis susijungimas gali leisti harmonikų energijai apeiti filtravimo tinklą. Kompaktiškuose ar didelės galios moduliuose gali prireikti įžemintos metalinės apsauginės dėžutės arba vidinės ekranuojančios pertvaros.

Nors LC filtras yra aktyvusis, jo įterpimo nuostoliai dalį RF galios konvertuoja į šilumą. Pakankamas vario plotas, oro cirkuliacija, šiluminis kontaktas ir korpuso konstrukcija padeda palaikyti stabilų filtro veikimą.

Impedanso pritaikymas ir stiprintuvo stabilumas

Žemos dažnių juostos filtras turi veikti kartu su stiprintuvo išėjimo priderinimo tinklu. Filtras, suprojektuotas nominaliai 50 omų šaltinio ir apkrovos varžoms, gali būti reaktyvi varža už praeinamosios juostos ribų. Todėl tranzistoriui matoma varža turėtų būti įvertinta plačiame dažnių diapazone.

Harmonikų dažniuose apkrovos varža gali įtakoti stiprintuvo naudingumą, šaltinio ar kolektoriaus įtampų svyravimus bei tranzistoriaus patikimumą. Kai kuruose sistemose žemos dažnių juostos filtras integruojamas į išėjimo priderinimo tinklą, todėl jis atlieka tiek varžos transformavimą, tiek harmonikų slopinimą.

Šis integruotas požiūris gali sumažinti komponentų skaičių ir modulio dydį, tačiau paprastai reikalauja tikslaus tranzistorių modeliavimo, apkrovos tempimo duomenų ir harmoninio balanso modeliavimo.

Vektorinis tinklo analizatorius gali patikrinti filtro įterpimo nuostolius, atspindėtus nuostolius, kirpties dažnį ir stabdymo juostos slopinimą prieš pilnos galios bandymus. Po to harmoninius išsisklaidymus galima išmatuoti naudojant spektrinį analizatorių, kryptinį jungtuką, tinkamą RF slopinimą ir tinkamai įvertintą imituotą apkrovą.

Bandymai turėtų apimti minimalią ir maksimalią maitinimo įtampą, temperatūros kraštutinumus, skirtingus išvesties galios nustatymus, gamybos komponentų nuokrypius ir tipines antenos neatitikimo sąlygas.

Kiek harmoninio slopinimo įmanoma pasiekti?

Galutinis slopinimo lygis priklauso nuo stiprintuvo pradinio harmoninio išėjimo ir filtro slopinimo kiekviename harmoniniame dažnyje.

Pavyzdžiui, priklausomai nuo to, kad stiprintuvas sukuria antrąją harmoninę sudėtinę -25 dBc. Jei LC žemojo dažnio filtras suteikia 35 dB slopinimą antrojo harmoninio dažnio dažnyje, teoriškai filtruoto rezultato reikšmė gali artėti prie -60 dBc.

Tikrosios matavimo reikšmės gali skirtis dėl jungiklio sujungimo, spausdintinės plokštės (PCB) spinduliavimo, nepakankamo įžeminimo, komponentų savosios rezonansinės dažnio savybės, korpuso nesandarumo ir matavimo netikslumo.

Techniškai teisinga elektrinės schemos juostinė diagrama vis tiek gali užtikrinti prastą harmonikų slopinimą, jei jos fizinė realizacija nėra suprojektuota laikantis RF principų. Tai viena iš priežasčių, kodėl modeliavimas, spausdintinės plokštės projektavimas, korpuso projektavimas ir laboratoriniai patvirtinimai turėtų būti laikomi vienu inžineriniu procesu.

Reikalaujamesnėse sistemose LC žemosios dažnių ribos filtras gali būti sujungiamas su ertminiu filtru, keraminio filtro arba pasiskirstytosios perdavimo linijos struktūra. LC filtrai yra patrauklūs dėl jų kompaktiško dydžio, integravimo lankstumo ir kainos efektyvumo. Ertminiai filtrai daugelyje vidutinės ir aukštos dažnių srities taikymų gali užtikrinti aukštą Q faktorių, mažą įterpimo nuostolį, stiprų išorės juostos atmetimą ir didesnę galios valdymo galimybę.

Pasirinkti individualų LC žemosios dažnių ribos filtrą

Individualizuotas LC filtras dažnai yra pageidautinas, kai standartinis komponentas negali atitikti reikalaujamų dažnio, korpuso, atmetimo ar galios parametrų.

Užsisakant individualų filtrą inžinieriai turėtų pateikti:

• Reikalaujamą pralaidos juostą
• Pageidaujamą nukritimo ar perėjimo sritį
• Antrąją ir trečiąją harmoniką
• Didžiausią leistiną pralaidos juostos įterpimo nuostolį
• Atspindėtojo signalo nuostolio arba VSWR reikalavimą
• Stabdymo juostos slopinimo tikslus
• Didžiausią nuolatinę ir viršūninę RF galią
• Veiklos temperatūros intervalas
• Mechaninės matmenys
• Jungtukų ar kontaktų išdėstymą
• Aplinkos ir patikimumo reikalavimai

Visų techninių charakteristikų pateikimas leidžia filtrelių gamintojui parinkti tinkamą topologiją, komponentų technologiją, korpuso konstrukciją ir gamybos procesą.

RSWave radijo dažnio komponentų asortimentas apima LC filtrus, ertmių filtrus, mikrobangų dielektrinius keraminius filtrus, duplexerius, multiplexerius ir antenas. Šie produktai komponentai naudojami ryšių infrastruktūroje, radarinėse sistemose, palydovinėje ryšių sistemoje, navigacinėje įrangoje, bepiločiuose sistemose, kosminėje technikoje, pramoninėje radijo dažnio elektronikoje ir specializuotuose mikrobangų platformose.

Išvada

LC žemosios dažnių juostos filtras slopina radijo dažnio galios stiprintuvo harmonikas sujungdamas nuoseklią induktyvumą ir šakninę talpą, kad praleistų pagrindinį signalą ir atitinkamai atmes tūkstančių hercų dažnių energiją.

Efektyvus harmonikų slopinimas priklauso nuo daug daugiau nei tik nuo pjūvio dažnio pasirinkimo. Filtravimo eilė, atsako tipas, komponentų kokybės faktorius (Q), galios našumas, impedanso elgsena, įžeminimas, ekranavimas, šilumos valdymas, spausdintosios laminuotos plokštės (PCB) išdėstymas ir gamybos tolerancijos visi turi įtakos realaus pasaulio veikimui.

Kai šie veiksniai yra deramai įvertinti kartu, tinkamai suprojektuotas LC žemo dažnio filtras gali reikšmingai sumažinti antrąsias ir trečiąsias harmonikas, pagerinti elektromagnetinę suderinamumą, apsaugoti artimuose esančius imtuvus ir padėti radijo dažnio (RF) siųstuvui atitikti savo spektrines sąlygas.

Taikymams, kuriems reikalingas kompaktiškas korpusas, mažas įterpimo nuostolis, apibrėžta harmonikų slopinimo laipsnis, didelė patikimumo reikšmė ar nestandartinis sąsajos tipas, specialiai sukurtas RF LC filtras suteikia praktišką sprendimą nuo grandinės projektavimo iki gamybai paruoštos RF charakteristikos.