Kokia mikrobangų keraminio filtro funkcija T/R moduliuose?

Perdavimo/gavimo moduliai, dažnai vadinami T/R moduliais, yra vieni svarbiausių šiuolaikinių radarų, fazių masyvų ryšių, elektroninės kovos, palydovinio ryšio ir kitų pažangių radijo dažnio sistemų komponentų. Kiekvienas modulis turi perduoti aukštos galios RF signalą, priimti žymiai silpnesnį atsispindėjusį ar įeinantį signalą ir užtikrinti patikimą izoliaciją tarp šių dviejų veikimo kelių.

Šiame kompaktiškame ir reikalaujančiame RF aplinkoje mikrobangų keraminis filtras atlieka funkciją, kurią lengva nepakankamai įvertinti. Jis nėra paprastas komponentas, pašalinantis netinkamas dažnių juostas. Teisingai suprojektuotas keraminis filtras padeda apsaugoti jautrius priėmimo grandinių elementus, pagerina perduodamo signalo grynumą, sumažina triukšmą, palaiko kanalo parinktį ir prisideda prie bendro T/R modulio dydžio, stabilumo bei patikimumo.

T/R modulyje esančio signalo kelio supratimas

Tipiškas T/R modulis apima perdavimo grandinę, priėmimo grandinę, perjungimo arba dvikrypčio (duplex) grandines, valdymo elektroniką ir antenos sąsają.

Perduodant signalą RF signalas praeina per stiprinimo etapus, prieš patenkant į anteną. Modulis turi užtikrinti, kad perduodama energija išliktų nustatytame darbo dažnių juostoje ir kad harmoniniai, netinkami bei išorėje esantys triukšmai būtų tinkamai slopinami.

Priėmimo režime padėtis yra dar jautresnė. Į anteną ateinantis naudingasis signalas gali būti labai silpnas. Prieš pasiekdamas mažo triukšmo stiprintuvą ir tolesnes priėmimo grandines, nepageidaujami signalai turėtų būti atmetami kuo anksčiau. Kitu atveju stipri išorėje esanti energija gali perkrauti priėmimo įrenginį, sumažinti jo jautrumą, sukurti tarpmoduliaciją produktai , arba užmaskuoti norimą signalą.

Mikrobangų keraminiai filtrai gali būti įrengti skirtingose šių kelių vietose, priklausomai nuo sistemos architektūros. Juos galima įdiegti prieš arba po stiprintuvo, integruoti arti antenos jungties arba sujungti su kitomis filtravimo ir dvigubo ryšio funkcijomis. Jų tikslusis išdėstymas nustatomas remiantis dažniu, galia, įterpimo nuostolių reikalavimais, atmetimo tikslais, šiluminėmis sąlygomis ir turimu erdvės kiekiu.

1. Reikiamo darbinio juostos pasirinkimas

Pirmoji ir tiesioginė mikrobangų keraminio filtro funkcija – dažnių parinkimas. Jis leidžia signalams, esantiems nurodytoje praleidimo juostoje, keliauti per modulį, tuo tarpu slopindamas dažnius už šios juostos ribų.

Radarų ir ryšių sistemose elektromagnetinė aplinka retai būna švari. Šalia esantys siųstuvai, gretimos kanalų juostos, vietiniai osciliatoriai, perjungimo elektronika ir kitos RF subvienetai gali generuoti nepageidaujamą energiją. Nepakankamo filtravimo atveju ši energija gali patekti į signalų grandinę ir paveikti sistemos veikimą.

Keraminis juostos pralaidumo filtras sukuria kontroliuojamą spektrinį langą T/R moduliui. Jo vidurio dažnis, juostos plotis, pralaidumo juostos svyravimai, įterpimo nuostoliai, atsikratymo nuostoliai ir už juostos ribų slopinimas gali būti suprojektuoti pagal konkrečią taikomąją paskirtį.

RSWave mikrobangų dielektrinių keramikos filtrų veikimo principas remiasi aukšto dielektrinio laidumo, mažų nuostolių ir temperatūriškai stabilios keramikos medžiagomis kaip rezonanso terpe. Įmonės paskelbtame produktų asortimente yra standartiniai ir pritaikomi filtrai, veikiantys maždaug nuo 400 MHz iki 7 GHz, kurie tenkina siaurosios ir plačiosios juostos reikalavimus belaidžių ryšių, navigacijos, radarų, palydovinio ryšio bei kitoms RF priekinės grandinės taikomosioms programoms.

2. Jautrios priėmimo grandinės apsauga

Priėmimo kanalas dažnai būna pačia pažeidžiamiausia T/R modulio dalis. Žemo triukšmo stiprintuvas yra suprojektuotas silpnų signalų aptikimui, tačiau jis taip pat gali būti paveiktas stiprių netinkamų signalų už darbinės juostos ribų.

Keraminis filtras, įrengtas arti imtuvo įėjimo, užtikrina pirminę atranką prieš tai, kai nepageidaujama energija pasiekia mažo triukšmo stiprintuvą. Tai padeda sumažinti imtuvo netikrumo, suspaudimo ir trukdžių riziką.

Pavyzdžiui, radarinio imtuvo gali prireikti aptikti silpną atspindį po to, kai perduotuvas išskleidė aukštos galios impulsą. Nors T/R jungiklis užtikrina izoliaciją, likusioji nutekėjimo energija, šalia esantys perduotuvai ir platjuosčiai triukšmai vis tiek gali pasiekti priėmimo kelią. Filtras su tinkamomis slopinimo savybėmis prideda dar vieną dažnių pasirinkimo apsaugos sluoksnį.

Tai ypač naudinga tankiuose elektromagnetiniuose aplinkose, pvz., daugiafunkciniuose radarų platformose, bepilotėse sistemose, ryšių bazinėse stotyse, elektroninės kovos įrangoje ir palydovų terminaluose.

Tačiau imtuvo apsaugą negalima vertinti atskirai nuo įterpimo nuostolių. Kiekvienas decibelio dalis, prarasta prieš žemo triukšmo stiprintuvą, gali paveikti imtuvo triukšmo koeficientą. Todėl filtre reikia pasiekti praktinį pusiausvyrą tarp mažų praeinamosios juostos nuostolių ir stiprios už juostos atmetimo galimybės.

3. Transliuojamo signalo grynumo pagerinimas

Galios stiprintuvas gamina ne tik pageidaujamą nešėją. Priklausomai nuo jo darbo taško, moduliacijos, tiesiškumo ir aplinkinių grandinių jis taip pat gali generuoti harmonikas, platują triukšmą ir netikėtus išspinduliuotus signalus.

Mikrobangų keraminis filtras perdavimo kelyje slopina netikėtus dažnių komponentus prieš tai, kai signalas pasiekia anteną. Tai padeda T/R moduliui atitikti spektrines sąlygas ir sumažina galimybę trukdyti gretimoms kanalams ar kitoms įrengtinėms RF sistemoms.

Gerinta perduodamo signalo grynuma ypač svarbi aktyviuose elektroniniuose nukreipiamuosiuose masyvuose. Kartu gali veikti šimtai ar net tūkstančiai T/R modulių. Mažos netobulumai modulio lygyje gali kaupiatis ir paveikti viso masyvo spektrinę charakteristiką.

Filtras vis dėlto turi būti parinktas su pakankama galios valdymo galia. Didelė vidutinė galia, impulsinė galia, terminis ciklinimas, impedanso neatitikimas ir montavimo sąlygos gali visi įtakoti ilgalaikę veikimą. Galutinis projektas todėl turėtų būti patvirtintas esant tikrosiomis modulio galios ir temperatūros sąlygomis, o ne tik vertintas esant žemoms signalo lygims.

4. Padidinama izoliacija tarp siuntimo ir priėmimo funkcijų

T/R moduliai reikalauja veiksmingos izoliacijos tarp didelės galios siuntimo ir didelės jautrios priėmimo. Ši izoliacija paprastai pasiekiamas naudojant jungiklius, cirkuliatorius, dvigubojo ryšio įrenginius ar kitus maršrutizavimo komponentus, tačiau dažnio parinkties įrenginiai gali užtikrinti papildomą izoliaciją.

Kai perdavimo ir priėmimo kanalai veikia skirtingais dažniais, mikrobangų dielektrinio keraminio duplikatoriaus pagalba galima sujungti du filtravimo kelius į vieną kompaktišką komponentą. Vienas šakos kelias praleidžia perdavimo juostą, o kitas – priėmimo juostą. Abi šakos gali bendrinti bendrą antenos jungtį, išlaikydamos izoliaciją tarp kanalų.

RSWave mikrobangų dielektrinio keraminio duplikatoriai paremti aukšto Q faktoriaus ir mažo nuostolio keraminiais rezonatoriais ir apima maždaug 400 MHz–6 GHz diapazoną. Jų kompaktiška konstrukcija, temperatūrinė stabilumas ir tinkamumas paviršiaus montavimui daro juos tinkamus integruotoms RF priekinės grandinės schemoms, kuriose ribojamas spausdintinės plokštės plotas ir masė.

Sistemoms, kuriose tas pats dažnis naudojamas kaitomais laiko intervalais, tinkamesnė gali būti atskira filtro ir RF perjungiklio schema. Dažnių skirstymo sistemoms integruotas duplikatorius gali sumažinti atskirų komponentų skaičių ir supaprastinti antenos sąsają.

5. RF priekinės grandinės miniatiūrizavimo palaikymas

Šiuolaikiniai fazių matricos ir nešiojamieji RF tinklai taiko griežtus apribojimus modulių matmenims. Antenos matricoje elementų tarpas susijęs su bangos ilgiu, todėl kiekvieno spinduliuojančio elemento užnelyje esanti elektronika dažnai turi tilpti į labai tiksliai nustatytą fizinę erdvę.

Mikrobangų dielektrinės keramikos santykinė leistinumo reikšmė yra aukšta. Tai leidžia sukurti rezonansines struktūras mažesnes nei daugelis atitinkamų oro pripildytų ar įprastų metalinių rezonatorių, veikiančių tame pačiame dažnyje. Dėl to keraminiai filtrai gali užtikrinti naudingą atranką kompaktiškoje ir lengvoje formoje.

Miniatiūrizavimas – tai ne tik mechaninis pranašumas. Trumpesni jungtys gali sumažinti parazitines aplinkybes, supaprastinti RF maršrutizavimą ir padėti pasiekti aukštesnį integracijos lygį. Mažesni komponentai taip pat gali padėti konstruktoriams filtrą įdėti arčiau įrenginio, kurį jis turi apsaugoti.

Tačiau mažiausias filtras nėra automatiškai geriausias filtras. Projektuotojai taip pat turi atsižvelgti į neapkrautą Q reikšmę, laidininkų nuostolius, susijungimo struktūrą, šilumos išsiskyrimą, gamybos tikslumą, spausdintosios plokštės (PCB) išdėstymą, ekranavimą ir slopinimo charakteristikas. Praktiškas filtras yra tas, kuris atitinka visus elektros ir aplinkos sąlygų reikalavimus turimoje erdvėje.

6. Dažnio stabilumo palaikymas temperatūros pokyčių metu

T/R moduliai gali veikti lauko bazinėse stotyse, orlaivių sistemose, transporto priemonėse, laivuose, palydovuose, pramonės įrangoje ar kitose aplinkose, kuriose temperatūra gali labai kisti.

Jei filtro rezonansinis dažnis per daug pasislenka dėl temperatūros pokyčių, praeities juosta gali pasislinkti nuo reikiamo kanalo. Tai gali padidinti įterpimo nuostolius, iškraipyti signalą arba sumažinti slopinimą kritiniais dažniais.

Temperatūriškai stabilios mikrobangų keraminės medžiagos padeda apriboti šį poslinkį. Galutinė temperatūros reakcija priklauso nuo medžiagos sudėties, rezonatoriaus geometrijos, metalizavimo, susijungimo konstrukcijos, montavimo būdo ir aplinkinės spausdintinės grandinės plokštės struktūros.

Reikalavimus keliančiose aplikacijose inžinieriai turėtų įvertinti daugiau nei tik tinklo analizatoriaus diagramą kambario temperatūroje. Matavimai turėtų apimti numatomą veikimo temperatūros diapazoną ir, kur taikoma, vibracijas, drėgmę, maitinimo ciklus bei ilgalaikį senėjimą.

7. Sistemos lygio patikimumo gerinimas

Mikrobangų keraminio filtro vertė turėtų būti vertinama modulio ir sistemos lygiuose, o ne tik kaip atskiro S-parametrų komponento.

Tinkamas filtras gali prisidėti prie:

• Geresnio imtuvo jautrumo esant triukšmams
• Mažesnio žemo triukšmo stiprintuvo perkrovos rizikos
• Sumažintų harmonikų ir netikėtų emisijų
• Gerinto perdavimo–priėmimo izoliavimo
• Stabilesnio veikimo visame temperatūros diapazone
• Mažesnės ir lengvesnės RF priekinio galo surinktys
• Lengvesnė filtravimo ir dvikryptės ryšio funkcijų integracija

Šie pranašumai gali pagerinti aptikimo nuotolį, ryšio kokybę, elektromagnetinę suderinamumą ir veikimo patikimumą. Jų faktinis poveikis priklauso nuo viso RF biudžeto, įskaitant stiprintuvo stiprinimą, triukšmo koeficientą, jungiklio izoliaciją, antenos priderinimą, laidų linijos nuostolius ir ekranavimą.

Pagrindiniai parametrai, renkantis keraminį filtrą T/R moduliui

Inžinieriai turėtų pradėti nuo aiškių elektrinių ir mechaninių specifikacijų. Svarbūs parametrai yra:

• Centrinė dažnių ir juostos plotis: Filtras turi praleisti visą veikiamąjį signalą, įskaitant moduliavimo juostos plotį, dažnio nuokrypį ir tikėtiną temperatūros pokyčius.
• Įterpimo nuostoliai: Žemas nuostolis ypač svarbus prieš žemo triukšmo stiprintuvą ir po galios stiprintuvo.
• Atmestinas dažnis už juostos: Atmetimas turėtų būti nustatomas konkrečiuose trukdžių dažniuose, o ne tik apibūdinamas kaip bendras maksimalus reikšmių dydis.
• Grąžos nuostoliai arba stovinčiųjų bangų santykis (VSWR): Gerai priderintas impedansas padeda sumažinti atspindžius ir užtikrina numatytą stiprintuvo bei antenos veikimą.
• Galima perdavimo galia: Perdavimo kelio filtrai turi išlaikyti reikalaujamą nuolatinės srovės arba impulsinę galią, įskaitant netinkamo priderinimo sąlygas.
• Temperatūros stabilumas: Dažnio poslinkis ir nuostolių kitimas turėtų likti priimtini nurodytoje aplinkoje.
• Matmenys ir montavimo būdas: Korpusas turėtų atitikti turimą spausdintinės grandinės plokštės (PCB) plotą, surinkimo procesą, įžeminimo struktūrą ir šiluminį projektavimą.
• Pritaikomumo galimybė: Daugelyje perduodamųjų / priimančiųjų (T/R) modulių naudojami nestandartiniai dažniai, juostos plotis, slopinimo taškai ar korpuso matmenys. Tikslingai suprojektuotas filtras gali pasiekti geriausią sisteminį kompromisinį sprendimą lyginant su universaliais katalogo komponentais.

Dirbant su patyrusiu mikrobangų keraminės komponentų tiekėju

T/R modulio filtras turėtų būti sukurtas optimaliai bendradarbiaujant modulio projektuotojui ir komponentų gamintojui. Naudingi projektavimo įvesties duomenys apima reikalaujamą pralaidumo juostą, slopinimo dažnius, šaltinio ir apkrovos varžą, galios lygį, temperatūros diapazoną, mechaninį gabaritą, sąsajos formatą bei numatomą metinę gamybos apimtį.

„Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd.“ nuo 2015 m. specializuojasi mikrobangų keraminės komponentų tyrimuose, plėtojime, gamyboje ir pardavime. Įmonės produktų asortimentas apima mikrobangų dielektrinius keraminius filtrus, keraminį duplikačius, LC filtrus, ertminius filtrus ir keramines antenas. Įmonė taip pat teikia modeliavimo paslaugas