Ako LC dolnopriepustný filter potláča harmonické zložky z rádiovofrekvenčného výkonového zosilňovača?

RF výkonové zosilňovače zvyšujú výkon požadovaného rádiovofrekvenčného signálu, avšak žiadny praktický zosilňovač nie je dokonale lineárny. Keď je tranzistor prevádzkovaný v blízkosti kompresie, jeho nelineárne správanie generuje harmonické zložky na celočíselných násobkoch základnej frekvencie. Napríklad vysielač pracujúci na frekvencii 100 MHz môže generovať nežiadúcu energiu na frekvenciách 200 MHz, 300 MHz a vyšších. Ak tieto harmonické zložky dosiahnu anténu, môžu spôsobiť elektromagnetické rušenie, porušiť limity vyžarovania, znížiť spektrálnu účinnosť a rušiť susedné prijímače.

LC dolnopriepustný filter je jedným z najvhodnejších riešení. Skladá sa z induktorov a kondenzátorov a prepúšťa požadovanú základnú frekvenciu, pričom potláča signály nad svoju frekvenciu uzáveru. V RF moduloch, rádiových vysielačoch, telemetrickom vybavení, radarových podsystémoch, satelitných termináloch, testovacích prístrojoch a špeciálne navrhnutých bezdrôtových platformách sa tento filter zvyčajne inštaluje priamo za RF výkonový zosilňovač.

Prečo RF výkonové zosilňovače generujú harmonické zložky

Ideálny lineárny zosilňovač by reprodukoval vstupný signál s vyšším výkonom bez zmeny jeho tvaru. Skutočné RF zariadenia však vykazujú nelineárny zosilnenie, kapacitu prechodov, zmenu biasu a saturáciu. Keď výstupný výkon stúpa, tvar vlny sa skresľuje a toto skreslenie sa v frekvenčnej oblasti prejavuje ako harmonické zložky.

Druhá harmonická zložka vzniká pri dvojnásobku nosnej frekvencie, tretia pri trojnásobku nosnej frekvencie a tak ďalej. Ich úrovne závisia od technológie tranzistorov, triedy zosilňovača, pracovného bodu, výstupného výkonu, prispôsobenia impedancie a modulácie. Spínacie alebo veľmi komprimované zosilňovače môžu dosiahnuť vysokú účinnosť, avšak zvyčajne vyžadujú účinnejšie filtrovanie harmonických zložiek.

Harmonické zložky môžu tiež spôsobiť falošné odpovede v meracích systémoch, prenášať sa do navigačných alebo komunikačných kanálov a zvyšovať zaťaženie komponentov v ďalšej časti obvodu. Potlačenie harmonických zložiek sa preto musí považovať za súčasť návrhu výstupu zosilňovača.

Ako funguje LC dolnopriepustný filter

LC dolnopriepustný filter využíva opačné frekvenčné správanie induktorov a kondenzátorov. Induktívna reaktancia stúpa so zvyšujúcou sa frekvenciou:

XL = 2πfL

Kapacitívna reaktancia klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou:

XC = 1/(2πfC)

V typickej topológii sériové induktory bránia prúdu vysokofrekvenčných harmonických zložiek, zatiaľ čo paralelné kondenzátory poskytujú cestu s nízkou impedanciou, ktorá odvádza nežiaducu energiu k zemi. Pri základnej frekvencii sa hodnoty vyberajú tak, aby boli straty vloženia nízke, čím sa umožní účinný prenos výkonu zo zosilňovača do záťaže.

Nad frekvenciou medzného kmitočtu sa útlm zvyšuje podľa počtu reaktívnych sekcií a vybranej charakteristiky filtra. Sieť vyššieho rádu poskytuje strmší prechod, ak je prvá nežiaduca harmonická relatívne blízko požadovanej priepustnej pásmovej oblasti.

Výber frekvencie medzného kmitočtu

Frekvencia medzného kmitočtu musí byť dostatočne vysoká na to, aby prešiel požadovaný signál a jeho šírka pásma modulácie, ale zároveň dostatočne nízka na to, aby potlačila najnižšiu dôležitú harmonickú zložku. Pre úzkopásmový nosný kmitočet 100 MHz môže byť medzný kmitočet umiestnený nad šírkou obsadeného kanála a výrazne pod druhou harmonickou zložkou 200 MHz.

Pri modulovaných systémoch musia návrhári zohľadniť celkovú obsadenú šírku pásma, spektrálnu masku, toleranciu výrobného kmitočtu a teplotný posun. Orez umiestnený príliš blízko požadovanej pásmovej oblasti môže skresliť obálku signálu, zhoršiť veľkosť chybového vektora a zvýšiť odrazený výkon. Orez umiestnený príliš vysoko môže poskytnúť nedostatočné potlačenie harmonických zložiek.

Dôležité vstupné parametre pre návrh filtra zahŕňajú:

• Základný prevádzkový kmitočet
• Obsadená šírka pásma signálu
• Maximálny výkon RF výstupu
• Požadované potlačenie druhej a tretej harmonickej zložky
• Maximálna prípustná strata vloženia
• Impedancia zdroja a záťaže
• Rozsah prevádzkovej teploty
• Rozmery balenia
• Rozhranie s konektorom, povrchovou montážou alebo cezotvornou montážou

Tieto parametre je potrebné definovať pred výberom štandardného filtra alebo vývojom prispôsobenej LC siete.

Poradie filtra a jeho odpoveď

Poradie filtra určuje, ako rýchlo sa útlm zvyšuje za frekvenciou medzného kmitočtu. Každá ďalšia reaktívna súčiastka môže zlepšiť strmosť útlmu, avšak zároveň spôsobuje dodatočné straty, citlivosť na tolerancie súčiastok, vyššie náklady a zložitejšie rozmiestnenie na plošnom spoji.

Odpoveď typu Butterworth poskytuje maximálne rovný priechodový pás a je užitočná v prípadoch, keď je dôležitá konzistencia amplitúdy v priechodovom pase. Odpoveď typu Chebyshev ponúka pre dané poradie filtra strmší prechod, avšak spôsobuje kontrolovateľné kolísanie amplitúdy v priechodovom pase. Eliptická odpoveď umožňuje vytvoriť nuly prenosu a extrémne ostré potlačenie, hoci je citlivejšia na tolerancie súčiastok a parazitné vplyvy.

Pri potlačovaní harmonických zložiek v rádiových výkonových zosilňovačoch nie je najvhodnejším riešením automaticky sieť najvyššieho poradia. Optimálny návrh vyvážene zohľadňuje potlač harmonických zložiek, vstupný útlm, napäťové zaťaženie, prúdovú záťaž, výrobnú realizovateľnosť, fyzické rozmery a stabilitu zosilňovača.

V mnohých praktických vysielačoch poskytuje troj- až sedemprvkový LC dolnopriepustný filter efektívny kompromis medzi výkonom odmietania a zložitosťou realizácie.

Výkonová záťaž, činiteľ Q a výber súčiastok

Výpočty filtrov pre malé signály sú len začiatkom. Na výstupe výkonového RF zosilňovača môžu byť indukčné a kapacitné súčiastky vystavené významnému RF prúdu a napätiu. Súčiastky s nedostatočnými hodnotami môžu prehriať sa, rozladí sa ich rezonančná frekvencia, dosiahnu nasýtenie, prasknú alebo zlyhajú.

Činiteľ Q induktora výrazne ovplyvňuje stratu vloženia. Induktor s vyšším činiteľom Q ukladá energiu s nižšími rezistívnymi stratami, čím pomáha udržať účinnosť vysielača. Kondenzátory by mali mať nízky ekvivalentný sériový odpor, stabilnú kapacitu, vhodné RF dielektrické vlastnosti a dostatočnú bezpečnostnú rezervu napätia.

Nominálna hodnota napätia musí zohľadňovať nesúlad impedancií a stojaté vlny, nie iba nominálny prevádzkový stav 50 ohmov. Pri zlej prispôsobenosti antény môže byť vrcholové RF napätie vo vnútri filtra výrazne vyššie, než sa očakáva.

Ďalším dôležitým faktorom je tolerancia súčiastok. Odchýlky v hodnotách indukčnosti a kapacity môžu posunúť frekvenciu zakázaného pásma a body potlačenia harmonických zložiek. Teplotný posun, parazitné vlastnosti PCB, kapacita pájky, indukčnosť vodivých dráh a vplyv pouzdra môžu ďalej zmeniť meranú odpoveď.

Pre kompaktné filtre pracujúce na vyšších frekvenciách sú elektromagnetická simulácia a analýza tolerancií nevyhnutné na zabezpečenie toho, aby výrobné jednotky spĺňali cieľové špecifikácie.

RSWave dodáva RF LC filtre v konfiguráciách dolnepriepustných, hornepriepustných, pásmovopriepustných a pásmovozádržných. Jeho výrobné spektrum zahŕňa kompaktné povrchovo montované a cezdoskové štruktúry, pričom pre špeciálne RF systémy je možné vyvinúť prispôsobené požiadavky týkajúce sa frekvencie, útlmu, balenia a rozhrania.

Rozmiestnenie súčiastok na DPS a uzemnenie

V oblasti rádiových frekvencií sa DPS a puzdro stávajú súčasťou filtračného obvodu. Dlhé vodivé spojenia pridávajú neželanú indukčnosť, plošky súčiastok spôsobujú kapacitu a zlé uzemnenie môže výrazne znížiť útlm v zakázanom pásme.

LC filter by mal byť inštalovaný čo najbližšie k výstupu výkonového zosilňovača. Vodiče medzi jednotlivými súčasťami by mali byť krátke, impedančne riadené a vzťahovať sa k nepretržitej uzemňovacej rovine.

Šuntové kondenzátory vyžadujú uzemňovacie cesty s nízkou indukčnosťou. Viacero uzemňovacích vodičov by malo byť umiestnených čo najbližšie k jednotlivým ploškám kondenzátorov, aby sa vysokofrekvenčný prúd mohol efektívne vrátiť späť. Príliš dlhá spojnica medzi kondenzátorom a uzemnením môže zabrániť komponentu poskytnúť očakávané potlačenie harmonických zložiek.

Vstupné a výstupné vodiče by tiež mali byť fyzicky oddelené. Ak sú vedené blízko seba, elektromagnetická väzba môže umožniť harmonickým zložkám obísť filter. V kompaktných alebo vysokovýkonových moduloch môže byť potrebné uzemnené kovové puzdro alebo vnútorná stena na elektromagnetické stínenie.

Hoci je LC filter pasívny, jeho vložná strata premieňa časť RF výkonu na teplo. Dostatočná plocha medi, prúd vzduchu, tepelný kontakt a konštrukcia puzdra pomáhajú udržať stabilný výkon filtra.

Prispôsobenie impedancií a stabilita zosilňovača

Dolnopriepustný filter musí pracovať spoločne so sieťou prispôsobenia výstupu zosilňovača. Filter navrhnutý pre menovité impedancie zdroja a zaťaženia 50 Ω môže mimo priepustného pásma predstavovať reaktívnu impedanciu. Impedancia, ktorú vidí tranzistor, sa preto musí vyhodnotiť v širokom frekvenčnom rozsahu.

Na harmonických frekvenciách môže impedancia zaťaženia ovplyvniť účinnosť zosilňovača, výkyv napätia na dreni alebo kolektore a spoľahlivosť tranzistora. V niektorých systémoch je dolnopriepustný filter integrovaný do siete prispôsobenia výstupu, takže zároveň vykonáva prispôsobenie impedancie aj potláčanie harmonických zložiek.

Tento integrovaný prístup môže znížiť počet súčiastok a veľkosť modulu, avšak zvyčajne vyžaduje presné modely tranzistorov, údaje z meraní záťažného ťahu (load-pull) a simuláciu harmonickou rovnováhou.

Vektorový analyzátor siete môže overiť vložné útlmy filtra, odrazové útlmy, frekvenciu záveru a potlačenie zápornej pásmy pred testovaním pri plnom výkone. Harmonické emisie sa následne môžu merať spektrálnym analyzátorom, smerovým členom, vhodným RF útlmom a správne dimenzovanou záťažovou zariadením.

Testovanie by malo zahŕňať minimálne a maximálne napätia napájania, extrémne teploty, rôzne nastavenia výstupného výkonu, výrobné tolerancie komponentov a reprezentatívne podmienky nesprávneho prispôsobenia antény.

Ako veľké potlačenie harmonických zložiek je možné dosiahnuť?

Konečná úroveň potlačenia závisí od pôvodného výstupu harmonických zložiek zosilňovača a útlmu filtra pri každej harmonickej frekvencii.

Napríklad predpokladajme, že zosilňovač generuje druhú harmonickú zložku na úrovni −25 dBc. Ak LC dolnopriepustný filter poskytuje útlm 35 dB pri frekvencii druhej harmonickej zložky, teoretický výsledok po filtrovaní sa môže priblížiť k hodnote −60 dBc.

Skutočné merania sa môžu líšiť kvôli spojeniu konektorov, vyžarovaniu z dosky plošných spojov (PCB), nedostatočnému uzemneniu, vlastnej rezonancii súčiastok, úniku z obalu a neurčitosti merania.

Technicky správna schéma obvodu môže napriek tomu poskytovať slabé potláčanie harmonických zložiek, ak jej fyzická realizácia nie je navrhnutá podľa princípov RF techniky. Je to jedna z príčin, prečo by simulácia, návrh dosky plošných spojov (PCB), návrh obalu a laboratórna validácia mali byť považované za jeden integrovaný inžiniersky proces.

Pre náročnejšie systémy sa LC dolnopriepustný filter môže kombinovať s dutinovým filtrom, keramickým filtrom alebo distribuovanou štruktúrou prenosovej linky. LC filtre sú atraktívne vďaka ich kompaktným rozmerom, flexibilitě integrácie a cenovej efektívnosti. Dutinové filtre môžu poskytnúť vysoký činiteľ kvality (Q), nízke vstupné straty, silné potláčanie mimo pásmov a vyššiu výkonovú kapacitu v mnohých stredných a vysokofrekvenčných aplikáciách.

Výber prispôsobeného LC dolnopriepustného filtra

Prispôsobený LC filter je často uprednostňovaný v prípade, keď komerčne dostupná súčiastka nespĺňa požadované parametre týkajúce sa frekvencie, balenia, útlmu v neprechodovej oblasti alebo výkonu.

Pri žiadosti o prispôsobený filter by mali inžinieri poskytnúť:

• Požadovaný priepustný pás
• Požadovanú frekvenciu zakázaného pásma alebo prechodovú oblasť
• Frekvencie druhej a tretej harmonickej zložky
• Maximálny vstupný útlm v priepustnom páse
• Požiadavku na odrazovú stratu alebo VSWR
• Požadovaný útlm v zakázanom páse
• Maximálny trvalý a špičkový RF výkon
• Rozsah prevádzkovej teploty
• Mechanické rozmery
• Konfiguráciu konektorov alebo vývodov
• Požiadavky na prostredie a spoľahlivosť

Poskytnutie úplných špecifikácií umožňuje výrobcovi filtrov vybrať vhodnú topológiu, technológiu komponentov, konštrukciu pouzdra a výrobný proces.

Portfólio RF komponentov spoločnosti RSWave zahŕňa LC filtre, dutinové filtre, mikrovlnné keramické dielektrické filtre, duplexery, multiplexery a antény. Tieto výrobky sa používajú v komunikačnej infraštruktúre, radarovom zisťovaní, satelitnej komunikácii, navigačnom zariadení, bezpilotných systémoch, leteckopriemyslových moduloch, priemyselných RF elektronikách a prispôsobených mikrovlnných platformách.

Záver

LC dolnopriepustný filter potláča harmonické zložky výkonového RF zosilňovača kombináciou sériovej indukčnosti a paralelnej kapacity tak, aby prechádzal základný signál a zároveň odmietal energiu vyšších frekvencií.

Účinné potláčanie harmonických zložiek závisí od omnoho viac než len od výberu frekvencie medzného kmitočtu. Poradie filtra, typ jeho odpovede, činiteľ kvality (Q) komponentov, výkonový výkon, impedančné správanie, uzemnenie, stínenie, tepelné riadenie, rozmiestnenie na DPS a výrobné tolerancie všetky ovplyvňujú skutočný výkon v reálnych podmienkach.

Ak sa tieto faktory riešia súčasne, správne navrhnutý LC nízkofrekvenčný filter môže významne znížiť vyžarovanie druhých a tretích harmonických zložiek, zlepšiť elektromagnetickú kompatibilitu, chrániť príjemné zariadenia v blízkosti a pomôcť rádiovému vysielaču splniť jeho spektrálne požiadavky.

Pre aplikácie, ktoré vyžadujú kompaktné zabalenie, nísku stratu vloženia, definované potlačenie harmonických zložiek, vysokú spoľahlivosť alebo nestandardné rozhranie, poskytuje prispôsobený RF LC filter praktickú cestu od návrhu obvodu po výrobné RF výkony.