RF filtrų pagrindinė funkcija palydovinėse ryšio sistemose

Palydovų ryšio ryšiai veikia didžiuliais atstumais, tačiau daugelis kritinių našumo sprendimų priimama kompaktiškame RF priekinėje dalyje. Antenos, žemo triukšmo stiprintuvai, galios stiprintuvai ir dažnio keitikliai dažnai pritraukia daugiausia dėmesio, tačiau RF filtras nustato, kurios spektro dalys gali judėti per signalų grandinę, o kurios turi būti atmestos.

Ši funkcija tampa vis svarbesnė, kai palydovų tinklai, žemės radijo ryšio sistemos, radarai, navigacinės sistemos ir platinio juostos paslaugos veikia gretimuose spektro ruožuose. Praktinėje įrangoje RF filtras nėra tiesiog „triukšmo šalinimo priemonė“. Jis apsaugo imtuvo jautrumą, riboja nepageidaujamą siųstuvo energiją, kontroliuoja trukdžius ir užtikrina stabilų veikimą visoje RF architektūroje.

Kodėl palydovų ryšiams reikia tikslaus dažnio valdymo

Palydovinio imtuvo dažnai reikia atkurti labai silpną norimą signalą, tuo tarpu arti jo dažniu gali būti žymiai stipresni signalai. Jei tie netikrinti signalai patenka į RF priekinę grandinę nepakankamai slopinami, jie gali sumažinti veiksmingą imtuvo jautrumą arba stumti žemo triukšmo stiprintuvus ir maišytuvus link kompresijos.

ESA dokumentacija apie palydovų valdymo imtuvus aprašo išplėstines filtravimo priemones visoje RF ir IF grandinėje. Taip pat pateikiamas pavyzdys, kaip įvesties bangolaidžio juostos pralaidumo ertminis filtras naudojamas tolimų iš juostos ribų esančių trikdžių neleidimui sotinti žemo triukšmo stiprintuvų (LNA) ir RF maišytuvų.

Todėl naudingoji pralaidos juosta turi likti mažo nuostolio, o uždraustosios juostos turi užtikrinti pakankamą slopinimą, kad stiprūs trikdžiai, harmonikos ir netikėtos reakcijos nepasiektų jautrių grandinių.

Taip pat svarbus inžinerinis kompromisas. Daugiau filtravimo automatiškai nereiškia geriau. ITU-R techninės rekomendacijos fiksuotųjų palydovų paslaugų žemės stotims nurodo, kad į priėmimo kelią įvedant filtrą taip pat įvedamas įterpimo nuostolis, kuris gali sumažinti priėmimo grandinės stiprinimą ir padidinti sistemos triukšmo temperatūrą. Todėl tikroji tikslinė užduotis – pasiekti stiprią dažnių atranką su kuo mažesniu praktiškai įmanomu įterpimo nuostoliu, o ne tiesiog maksimaliai padidinti slopinimą.

RF filtras kaip imtuvo pirmoji gynybos linija

Tipiškame palydovų terminalo įrenginyje filtravimas gali būti atliekamas prieš arba po LNA, aplink dažnių maišytuvus ir tarpinio dažnio etapuose. Priekinio atrankos filtras, įrengtas arti antenos, susiaurina spektrą, pasiekiantį pirmąjį aktyvųjį įrenginį. Tai ypač naudinga, kai palydovų žemės stotys veikia kartu su lankstiosios ryšio tinklų, mikrobangų ryšio, radarų ar kitų didelės galios RF šaltinių sistemomis.

Tinkamai suprojektuotas juostos pralaidumo filtras išsaugo reikiamą ryšio kanalą, tuo pat metu slopindamas dažnius už priskirtos juostos ribų. Šiems siaurajuosčiams imtuvams perėjimo juostos reikalavimai gali būti ypač dideli, nes stiprus trikdantis signalas gali būti esantys arti norimo signalo.

Todėl filtras turi subalansuoti kelis parametrus, įskaitant šoninės juostos atranką, įterpimo nuostolius, juostos plotį, impedanso pritaikymą, grupės delsos elgesį ir fizinį dydį.

Vėlesnėse imtuvo pakopose papildomi LC, keraminiai arba ertminiai filtrai gali tikslinti kanalo parinktį ir pašalinti netinkamus maišytuvo produktai . Tikslus topologijos pasirinkimas priklauso nuo terminalo dažnių plano ir RF architektūros. Todėl filtravimą geriausia laikyti viso imtuvo projektavimo dalimi, o ne izoliuotu katalogo komponentu.

Filtrai taip pat padeda išlaikyti siųstuvo švarumą

RF filtrai vienodai svarbūs ir perdavimo pusėje. Galios stiprintuvai gali generuoti harmonikas ir kitus netinkamus spektrinius komponentus, o sintezatoriai ir dažnio keitimo etapai gali sukelti netikėtus atsakus. Tinkamas žemo dažnio, juostos pralaidumo ar ertmės filtras slopina šią netinkamą energiją prieš ją pasiekiant anteną.

Filtravimas taip pat tampa svarbus, kai perdavimo ir priėmimo grandinės yra fiziškai arti viena kitos. Nepakankama izoliacija gali padidinti vietinį triukšmo lygį arba sumažinti priėmimo kelio jautrumą.

Bendros antenos sistemose duplexeriai ir diplexeriai išplėčia šią dažnių parinkties funkciją, atskirdami perdavimo ir priėmimo dažnių juostas. Jų įterpimo nuostoliai, izoliacija ir galios valdymo charakteristikos tampa visos RF ryšio linijos biudžeto dalimi.

Kitaip tariant, filtravimas nėra tik papildomas elementas, montuojamas po to, kai RF architektūra jau apibrėžta. Tai yra dažnių valdymo sluoksnis, kuris padeda visai palydovinės stoties veikti numatytu būdu.

Pasirinkimas tarp LC, ertmių ir dielektrinių keramikos filtrų

Nėra vieno RF filtro technologijos, kuri būtų idealiai tinkama kiekvienai palydovinės ryšio sistemai. Teisingas pasirinkimas priklauso nuo darbinės dažnių srities, juostos pločio, galios lygio, leistinos įterpimo nuostolios, turimos vietos, atmetimo reikalavimų bei aplinkos sąlygų.

LC filtrai yra naudingi, kai inžinieriams reikia lankstaus žemos dažnių srities, aukštos dažnių srities, juostos praleidimo arba juostos stabdymo atsako kartu su paprasta grandinės integracija. RSWave RF LC ir ertmių filtrų asortimentas apima plačią dažnių sritį iki 30 GHz ir įvairias pakuotės bei integracijos galimybes. Įmonė konkrečiai nurodo palydovinės ryšio terminalus ir kosminės technikos RF modulius kaip aktualias savo LC filtro sprendimų taikymo sritis.

Vidinės ertmės filtrai dažnai yra vertinami, kai svarbūs mažas įterpimo nuostolis, aukštas Q faktorius, stiprus išorės juostos slopinimas ir didesnė galios našumas. Jų metalinės rezonuojančios struktūros gali užtikrinti stačią dažnių diskriminaciją, nors ertmių sprendimai gali reikalauti didesnio fizinio tūrio nei labai miniatiūrūs alternatyvūs sprendimai.

Mikrobangų dielektrinių keramikos filtrų naudojimas – dar vienas naudingas balansas. Aukštos dielektrinės skvarbos rezonatorių medžiagos leidžia sumažinti filtravimo struktūros fizinį dydį, išlaikant mikrobangų dažnių selektyvumą ir temperatūrinę stabilumą.

RSWave savo dielektrinės keraminės filtro eilę apibūdina kaip tinkamą naudoti palydovinio ryšio, radarų, T/R modulių ir kitų RF priekinių grandinių taikymuose. Produktų puslapyje šių filtrų šeima apibūdinama kaip veikianti dažnių diapazone nuo 400 MHz iki 7 GHz, o techninė lentelė taip pat pateikia konkrečią palydovinio ryšio taikymo pavyzdį, kurio centrinis dažnis – 7,2 GHz. Inžineriniam projektui tikslūs dažnių galimumai todėl turi būti patvirtinti pagal reikalaujamą specifikaciją ir pritaikytą projektavimą.

Praktinėje palydovinės ryšio RF sistemoje gali būti naudojama daugiau nei viena filtravimo technologija. Pavyzdžiui, ertminis filtras gali tarnauti aukštos galios arba aukštos atrankos etape, tuo tarpu kompaktiškas keraminis arba LC filtras naudojamas giliau modulyje, kur svarbesnės yra spausdintinės plokštės vietos taupymo ir integracijos sąlygos.

Konkretus palydovinio ryšio filtro pavyzdys

Produktų atranka tampa reikšmingesnė, kai ji grindžiama matuojamais RF techniniais parametrais, o ne bendrais našumo teiginiais.

RSWave mikrobangų dielektrinės keraminės filtrų lentelėje RMP4A7200S10FCA nurodytas „SATE-COMM“ programinei įrangai. Jo centrinė dažnių reikšmė – 7,2 GHz, juostos plotis – 10 MHz, maksimalus įterpimo nuostolis – 3,0 dB, maksimalus svyravimas – 1,0 dB, maksimalus VSWR – 1,5, o minimalus slopinimas – 30 dB dažnių diapazone nuo 5,0 iki 6,2 GHz.

Šie skaičiai iliustruoja parametrų tipus, kuriuos RF inžinierius turėtų ištirti prieš integruodamas filtrą.

Centrinis dažnis ir juostos plotis nustato, kokį spektrą turi praleisti filtrai. Įterpimo nuostolis tiesiogiai veikia galimą ryšio rezervą. Uždraustosios juostos slopinimas rodo, kaip stipriai gali būti slopinama netikrinta energija. VSWR rodiklis parodo impedanso pritaikymo kokybę ir įtakoja, kiek efektyviai RF galia perduodama tarp sujungtų etapų.

RSWave katalogas taip pat nurodo, kad galima pritaikyti kitus veikimo dažnius. Ši lankstumas ypač svarbus palydovinėms ryšio sistemoms, nes terminalai retai naudoja vieną visuotinį dažnių planą. Filtras gali reikėti optimizuoti konkrečiam transponderiui, tarpinio dažnio architektūrai, regioniniam dažnių paskirstymui, kanalo juostos plotui, trukdžių aplinkai ar mechaniniam korpusui.

Ką inžinieriai turėtų įvertinti prieš nustatydami RF filtro specifikacijas

Palydovinės ryšio įrangos atveju veiksmingas filtro projektavimo procesas prasideda nuo sistemos reikalavimų, o ne nuo filtro technologijos paties.

• Tikslus pralaidumo juostos diapazonas: nustatykite veikimo dažnį, uimamą juostos plotį ir pakankamą maržą dėl dažnio nukrypimo bei gamybos tolerancijų.
• Realūs blokuojantys dažniai: slopinimo reikšmės stabdymo juostoje turėtų būti nurodytos dažniuose, kur realiai tikėtina, kad pasitaikys trukdžių signalai.
• Leistinas įterpimo nuostolis: Filtras, esantis prieš stiprintuvą mažojo triukšmo (LNA), gali labiau paveikti imtuvo triukšmo charakteristikas nei filtras, esantis vėliau signalo grandinėje.
• Galios valdymas: Siuntimo kelio filtrai reikalauja kitokių šiluminės apkrovos ir pramušimo sąlygų nei mažosios galios priėmimo filtrai.
• Temperatūros stabilumas: Atviruose žemės stotyse, kosminėje technikoje ir mobiliuosiuose palydovų terminaluose gali būti reikšmingų aplinkos sąlygų pokyčių.
• Mechaninė integracija: Filtrai su jungtukais, paviršiaus montavimo (SMT) ir per skylutes montuojami filtrai kelia skirtingus reikalavimus spausdintinės plokštės išdėstymui, įžeminimui, ekranavimui ir techninei priežiūrai.
• Tinkaminumo reikalavimai: Perpildytose RF aplinkose standartinis filtras gali nepateikti reikiamos perėjimo juostos pločio arba atitinkamų slopinimo taškų.

Šie reikalavimai taip pat parodo, kodėl inžinerinė parama gali būti tokia pat svarbi kaip ir fizinis komponentas.

Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. teigia, kad nuo 2015 m. ji užsiima mikrobangų keraminės komponentų tyrimais ir plėtojimu, gamyba bei prekyba. Šiuo metu jos produktų asortimentas apima keraminius filtrus, duplikatorius, LC filtrus, ertmių filtrus, keramines antenas ir GNSS antenų produktus, o platesnis produktų asortimentas apima dažnius iki 30 GHz.

Palydovų terminalų projektuotojams įvairių RF komponentų asortimento praktinė nauda yra galimybė pritaikyti skirtingus filtravimo struktūrų tipus skirtingoms pozicijoms signalų grandinėje, o ne priversti vienos technologijos tenkinti visus reikalavimus.

Nuo komponentų parinkimo iki galinio–galinio RF vientisumo

Šiuolaikinė palydovinė ryšių sistema juda link didesnio pralaidumo, mažesnių terminalų ir tankesnio spektro naudojimo. Šios tendencijos sukelia papildomą įtampą RF priekinėms grandims: turi egzistuoti daugiau juostų, antenos vis labiau integruojamos, o imtuvai vis dar turi aptikti silpnus signalus stiprių šalia esančių perdavimų fone.

Todėl RF filtras atlieka sisteminę funkciją.

Jis apsaugo jautrią aktyvią grandinę, kontroliuoja spektrinę užimtumą, sumažina išorės juostos trukdžius ir padeda išlaikyti signalo ir triukšmo santykį, kurio reikalauja modemai ir pagrindinės grandinės procesoriai. Jo įtaka galiausiai pasireiškia imtuvo dinaminėje srityje, perdavimo spektrinėje charakteristikoje, gretimų juostų bendradarbiavime ir viso ryšio patikimume.

Palydovų terminalų inžinieriams veiksmingiausias požiūris yra laikyti filtravimą ankstyvu architektūriniu sprendimu. Pirmiausia apibrėžkite dažnių planą, blokuojančios aplinkos sąlygas, leistiną nuostolį, galios lygį, temperatūros diapazoną ir mechanines sąlygas. Tuomet pasirinkite LC, ertminį, mikrobangų dielektrinio keraminio arba kombinuotą filtravimo sprendimą, kuris atitiktų šiuos reikalavimus.

Išvada

RF filtrai yra vieni mažiausiai matomų, tačiau labiausiai lemiamų komponentų palydovų ryšių sistemoje. Jų vaidmuo išeina toliau nei paprastas signalo „valymas“. Jie nulemia, kiek veiksmingai RF grandinė atskiria naudingą energiją nuo trikdžių, tuo pačiu išsaugodama ribotą ryšio rezervą ilgose palydovų ryšių linijose.

Turint LC filtrus, ertminius filtrus, mikrobangų dielektrinius keraminio filtrus bei dvigubojo ryšio sprendimus, skirtus įvairiems dažniams, dydžiams, atrankos gebėjimui ir galios reikalavimams, inžinieriai gali sukurti filtravimo strategiją, grindžiamą tikrais palydovų terminalų poreikiais.

Taikymams, kuriems reikia specialių centrinių dažnių, juostos pločių, atitinkamų slopinimo taškų arba pakuotės formatų, elektromagnetinio modeliavimo, filro projektavimo ekspertizės ir pritaikytos gamybos derinys gali padėti sutrumpinti kelią nuo RF specifikacijos iki stabilios ir gamybai tinkamos palydovinės ryšių priekinės grandinės.