Како LC нискочестотен филтер потиснува хармоници од RF моќностен појачувач?

RF моќните појачала го зголемуваат моќта на посакуваниот радиофреквентен сигнал, но ниедно практично појачало не е совршено линеарно. Кога транзисторот се поттикнува близу до компресија, неговото нелинеарно однесување генерира хармоници на целобројни множители од основната фреквенција. На пример, предавател кој работи на 100 MHz може да произведе непожелена енергија на 200 MHz, 300 MHz и повисоки фреквенции. Ако тие хармоници стигнат до антената, тие можат да предизвикаат електромагнетна интерференција, да нарушуваат ограничувањата за емисии, да намалат спектралната ефикасност и да дисторзираат блиските приемници.

LC филтерот со ниска пропусност е едно од најпрактичните решенија. Направен од индуктори и кондензатори, тој го пропушта потребниот основен фреквенциски сигнал, додека ги потиснува сигналите над неговата гранична фреквенција. Во РФ модулите, радио предаватели, телеметриска опрема, радарски подсистеми, сателитски терминали, тест-инструменти и прилагодени бежични платформи, филтерот најчесто се инсталира директно по РФ силниот засилувач.

Зошто РФ силните засилувачи генерираат хармоници

Совршено линеарен засилувач би го репродуцирал влезниот сигнал во поголема моќ без да го менува неговиот облик. Вистинските РФ уреди, сепак, покажуваат нелинеарно засилување, спојна капацитетност, варијација на поларизацијата и наситување. Додека излезната моќ расте, формата на сигналот се деформира, а таа деформација во фреквенцискиот домен се појавува како хармоници.

Втората хармоника се појавува на двојна честота од носечката, третата на тројна честота од носечката и така натаму. Нивните нивоа зависат од технологијата на транзисторите, класата на појачалото, точката на преднапрегање, излезната моќност, прилагодувањето на импедансата и модулацијата. Појачалата со превклучување или силно компресирани појачала можат да остварат висока ефикасност, но обично бараат посилно филтрирање на хармониците.

Хармониците исто така можат да предизвикаат лажни одговори во мерните системи, да се спојат со навигациските или комуникациските канали и да го зголемат оптоварувањето врз компонентите во подолниот тек. Затоа, потиснувањето на хармониците треба да се смета како дел од дизајнот на излезот на појачалото.

Како функционира LC филтер со ниска прекин-честота

LC филтерот со ниска прекин-честота користи спротивно однесување со честотата на индукторите и кондензаторите. Индуктивната реактанса расте со честотата:

XL = 2πfL

Капацитивната реактанса опаѓа со зголемување на честотата:

XC = 1/(2πfC)

Во типична топологија, серијските индуктори го спречуваат високофреквентниот хармониски струјен тек, додека паралелните кондензатори обезбедуваат пат со ниска импеданса кој го одведува непожелната енергија кон земјата. На основната фреквенција, вредностите се избираат така што внесната загуба останува ниска, за да може појачувачот ефикасно да пренесе моќ до товарот.

Над отсечната фреквенција, слабењето се зголемува според бројот на реактивни секции и избраниот одговор на филтерот. Мрежа од повисок ред обезбедува пострм премин кога првиот непожелен хармоник е релативно близу до потребната пропусна лента.

Избор на отсечна фреквенција

Отсечната фреквенција мора да биде доволно висока за да пропушти ја желаната сигнална и нејзината модулациона лента, но доволно ниска за да се слаби најниската важна хармоника. За ужеоканален носител од 100 MHz, отсечната фреквенција може да се постави над зафаќаната каналска лента и значително под втората хармоника од 200 MHz.

За модулираните системи, дизајнерите мора да ги разгледаат целокупната зафатена широчина на опсегот, спектралната маска, производствената толеранција на фреквенцијата и температурното поместување. Еден отсекување поставено премногу близу до желаниот опсег може да го деформира омотот на сигналот, да го намали векторското магнитудо на грешката и да го зголеми рефлектираната моќност. Едно отсекување поставено премногу високо може да обезбеди недоволно потиснување на хармониците.

Важни влезни параметри за дизајн на филтри се:

• Фундаментална работна фреквенција
• Завземена широчина на опсегот на сигналот
• Максимална RF излезна моќност
• Потребно потиснување на вторите и третите хармоници
• Максимално дозволена внесена загуба
• Импеданса на изворот и товарот
• Опсег на оперативна температура
• Димензии на пакетот
• Конектор, површински монтиран или преку-дупка интерфејс

Овие параметри треба да бидат дефинирани пред да се избере стандарден филтер или да се разработи прилагодена LC мрежа.

Редослед на филтерот и одговор

Редоследот на филтерот го определува брзината со која се зголемува атenuацијата над честотата на отсекување. Секој дополнителен реактивен компонент може да подобри стрмноста на спадот, но исто така воведува дополнителни загуби, чувствителност кон толеранциите, трошоци и комплексност во распоредот на печатената плоча.

Одговорот на Бутерворт обезбедува максимално рамен пропусен опсег и е корисен кога е важна конзистентноста на амплитудата во пропусниот опсег. Опсегот на Чебишев нуди пострм премин за даден редослед на филтерот, но воведува контролирана осцилација во пропусниот опсег. Елиптичниот одговор може да создаде нули на предавањето и екстремно остар отпор, иако е повеќе чувствителен кон толеранциите на компонентите и паразитните ефекти.

За потиснување на хармониците во RF моќностите на појачалата, најдоброто решение не е автоматски мрежата со највисок редослед. Оптималниот дизајн балансира помеѓу потиснување на хармониците, внесена загуба, напонско напрегање, струјно носење, производливост, физичка големина и стабилност на појачалот.

Во многу практични преносници, LC ниско-пропусен филтер со три до седум пола обезбедува ефикасен компромис помеѓу перформансите на отфрлање и комплексноста на имплементацијата.

Способност за предавање на моќност, квалитетен фактор (Q) и избор на компоненти

Пресметките за мали сигнали на филтерите се само почетокот. На излезот од RF моќностен појачувач, индукторите и кондензаторите можат да бидат изложени на значителни RF струи и напони. Компонентите со недоволни спецификации можат да се загреат, да се детунираат, да се наситат, да се прекршат или да не функционираат.

Квалитетниот фактор (Q) на индукторот силно влијае врз губитокот при внесување. Индуктор со повисок Q фактор складира енергија со помал резистивен губиток, што помага во одржувањето на ефикасноста на преносникот. Кондензаторите треба да обезбедуваат ниска еквивалентна серијска отпорност, стабилна капацитетност, соодветни RF диелектрични карактеристики и доволен маргин на напон.

Номиналниот напон мора да се земе предвид со оглед на несоодветноста на импедансот и стоечките бранови, а не само на номиналната работна состојба од 50 оми. При лошо прилагодување на антената, врвниот РЧ напон во филтерот може значително да биде повисок од очекуваниот.

Толеранцијата на компонентите е друг важен фактор. Промените во индуктивноста и капацитетот можат да ги поместат честотата на отсекување и точките на отфрлање на хармониците. Температурното поместување, паразитните ефекти на печатената плоча (ПП), капацитетот на лотосните контактни површини, индуктивноста на следите и ефектите од куќиштето дополнително можат да го променат измерениот одговор.

За компактните филтри кои работат на повисоки честоти, електромагнетната симулација и анализа на толеранцијата се неопходни за осигурување дека производствените единици ќе исполнат ги целните спецификации.

RSWave доставува RF LC филтри во конфигурации со ниска честота, висока честота, лентична пропусност и лентична блокада. Нивниот асортиман поддржува компактни површински монтирани и преку-дупчиња структури, додека може да се развијат прилагодени барања за честота, отслабување, пакетирање и интерфејси за специјализирани RF системи.

Поставување на печатена плоча (PCB) и заземјување

На RF честоти, печатената плоча (PCB) и куќиштето стануваат дел од филтерската кола. Долгите траки додаваат непожелна индуктивност, контактните површини на компонентите воведуваат капацитет, а лошото заземјување може значително да го намали отслабувањето во забранетата лента.

LC филтерот треба да се инсталира што е можно поблиску до излезот на моќноста на појачалото. Врските треба да бидат кратки, со контролиран импеданс и поврзани со непрекината заземјувачка површина.

Шунтните кондензатори бараат патеки со ниска индуктивност кон земјата. Повеќе отвори за поврзување со земјата треба да се постават близу секоја пада на кондензаторот за да токот на висока фреквенција може ефикасно да се врати. Долгата патека помеѓу кондензаторот и земјата може да спречи компонентата да обезбеди очекваното потиснување на хармониците.

Трассите за влез и излез исто така треба физички да се одвојат. Кога се трасираат близу една до друга, електромагнетното спојување може да овозможи на хармониската енергија да го заобиколи филтерскиот мрежен систем. Во компактни или високо-моќни модули може да биде потребна метална кутија со земјување или внатрешна штитна преграда.

Иако LC-фильтерот е пасивен, неговиот внесен губиток претвора дел од RF-мощноста во топлина. Доволна површина од бакар, струење на воздух, топлински контакт и дизајн на куќиштето помагаат да се одржи стабилна перформанса на филтерот.

Согласување на импеданса и стабилност на појачалот

Филтрувачот со ниска фреквенција мора да работи заедно со мрежата за прилагодување на излезот на појачалот. Филтрувач дизајниран за номинални импеданси на извор и товар од 50 оми може да претставува реактивна импеданс надвор од пропусниот опсег. Затоа, импедансата што ја „видува“ транзисторот треба да се процени во широк опсег на фреквенции.

На хармоничните фреквенции, импедансата на товарот може да влијае врз ефикасноста на појачалот, напонскиот замав на дренот или колекторот и доверливоста на транзисторот. Во некои системи, филтрувачот со ниска фреквенција е интегриран во мрежата за прилагодување на излезот, па така извршува и трансформација на импедансата и потиснување на хармониците.

Овој интегриран пристап може да го намали бројот на компоненти и големината на модулот, но обично бара точни модели на транзистори, податоци за влечење на товарот и симулација со хармониско балансирање.

Анализаторот на векторски мрежи може да провери губиток при внесување на филтерот, губиток при рефлексија, честота на отсекување и одбивање во забранетата зона пред тестирањето со пуната моќност. Хармониците потоа можат да се измерат со анализатор на спектар, насочен спојник, соодветно РФ слабување и соодветно оценета имитациона товарна отпорност.

Тестирањето треба да ги опфати минималните и максималните напони на напојување, екстремните температури, различните поставки на излезна моќност, толеранциите на компонентите во производството и репрезентативните услови на несоодветност на антената.

Колку хармониско потиснување е можно?

Конечниот ниво на потиснување зависи од оригиналниот хармониски излез на појачувачот и ослабувањето на филтерот на секоја хармониска честота.

На пример, претпоставете дека појачувачот произведува втора хармоника на −25 dBc. Ако LC филтерот со ниска пропусност обезбедува 35 dB ослабување на честотата на втората хармоника, теоретскиот филтриран резултат може да достигне −60 dBc.

Фактичките мерки може да се разликуваат поради спојувањето на конекторите, емисијата од штампана плоча (PCB), недоволно заземјување, саморезонанцата на компонентите, протекувањето низ куќиштето и несигурноста во мерењето.

Технички точната шема на коло може да обезбеди лошо потиснување на хармониците доколку нејзината физичка имплементација не е дизајнирана според RF-принципите. Тоа е една од причините поради кои симулацијата, дизајнот на штампаната плоча, дизајнот на куќиштето и лабораториската валидација треба да се третираат како единечен инженерски процес.

За повеќе барања системи, LC нискофреквентен филтер може да се комбинира со кавитетен филтер, керамички филтер или распределена структура на преносна линија. LC филтрите се привлекателни поради нивната компактна големина, флексибилност во интеграција и економичност. Кавитетните филтри можат да обезбедат висок Q фактор, ниско внесено губење, силно отфрлање надвор од опсегот и поголема способност за поддржување на моќноста во многу примени со средна и висока фреквенција.

Избор на прилагоден LC нискофреквентен филтер

Често е посакуван филтер со LC конфигурација што е прилагоден според специфични барања, кога компонентата од шкафот не може да ги исполнува бараните честоти, пакет, отпорност или цел за моќност.

Кога се бара прилагоден филтер, инженерите треба да наведат:

• Бараната пропусна лента
• Бараната гранична честота или преодна област
• Честотите на вториот и третиот хармоник
• Максималната внесена загуба во пропусната лента
• Бараната рефлексија (return loss) или VSWR
• Целите за ослабување во забранетата лента
• Максималната континуирана и врвна RF моќност
• Опсег на оперативна температура
• Механички димензии
• Конектор или распоред на контактите
• Еколошки и сигурносни барања

Предоставувањето на целосни спецификации овозможува на производителот на филтри да избере соодветна топологија, технологија на компоненти, конструкција на куќиштето и производствен процес.

RF компонентната понуда на RSWave вклучува LC филтри, кавитетни филтри, микробрански диелектрични керамички филтри, дуплексери, мултиплексери и антени. Овие пРОИЗВОДИ се користат во инфраструктурата за комуникации, радарско откривање, сателитска комуникација, навигациска опрема, системи без пилот, аерокосмички модули, индустријална RF електроника и прилагодени микробрански платформи.

Заклучок

LC филтер со ниска фреквенција ги потиснува хармониците од RF појачувачот со комбинирање на серијска индуктивност и шунтна капацитетност за да го пропушти основниот сигнал, а да ги отфрли енергијата на повисоките фреквенции.

Ефикасното потиснување на хармониците зависи од многу повеќе од изборот на граничната фреквенција. Редоследот на филтерот, типот на одговор, Q-факторот на компонентите, номиналната моќност, импедансното однесување, заземјувањето, екранирањето, термичкото управување, распоредот на PCB-то и производствените толеранции сите влијаат врз реалната перформанса.

Кога овие фактори се решаваат заедно, добро проектиран LC филтер со ниска фреквенција може значително да ги намали емисиите на втората и третата хармоника, да ја подобри електромагнетната совместливост, да заштити блиските приемници и да помогне на RF предавателот да ги исполнува своите спектрални барања.

За апликации кои баратаат компактен пакет, ниска внесена загуба, дефинирано отфрлање на хармоници, висока постојаност или нестандарден интерфејс, прилагодениот RF LC филтер претставува практична патека од дизајнот на коло до производствено спремна RF перформанса.