Si suprimon një filtr i ulët i tipit LC harmonikët nga një amplifikator i fuqisë RF?

Amplifikatorët e fuqisë RF rritin fuqinë e një sinjali të dëshiruar të frekuencës së radiofrekuencës, por asnjë amplifikator praktik nuk është perfektisht linear. Kur një transistor drejtohet afër shtypjes, sjellja jo-lineare e tij gjeneron harmonika në shumëfishat e plotë të frekuencës themelore. Për shembull, një transmetues që punon në 100 MHz mund të prodhojë energji të papërdorshme në 200 MHz, 300 MHz dhe frekuenca më të larta. Nëse ato harmonika arrin antenën, ato mund të shkaktojnë pengesa elektromagnetike, të shkelin kufijtë e emisionit, të zvogëlojnë efikasitetin spektral dhe të pengojnë pranuesit e afërt.

Një filtr i ulët me qark LC është një nga zgjidhjet më praktike. I ndërtuar nga induktorë dhe kondensatorë, ai kalon frekuencën themelore të kërkuar, ndërsa zvogëlon sinjalet mbi frekuencën e tij të prerjes. Në modulat RF, transmetuesit radio, pajisjet telemetrike, nën-sistemet radar, terminalet satelitore, instrumentet e testimit dhe platformat e personalizuara wireless, filtri instalohet zakonisht menjëherë pas amplifikatorit të fuqisë RF.

Pse Amplifikatorët RF Prodhuan Harmonika

Një amplifikator idealisht linear do të riprodhonte valëformën hyrëse me një fuqi më të lartë pa ndryshuar formën e saj. Pajisjet reale RF, megjithatë, tregojnë një fitim jolinear, kapacitet bashkimi, variacion të polarizimit dhe saturim. Kur fuqia dalëse rritet, valëforma deformohet, dhe kjo deformim shfaqet në dominën e frekuencës si harmonika.

Harmoniku i dytë ndodh në dyfishin e frekuencës së bartësit, i treti në trefishin e frekuencës së bartësit, etj. Nivelët e tyre varen nga teknologjia e transistorëve, klasa e amplifikatorit, pika e polarizimit, fuqia e daljes, përputhja e impedancës dhe modulimi. Amplifikatorët me ndryshim (switching) ose të kompresuar shumë mund të ofrojnë efikasitet të lartë, por zakonisht kërkojnë filtrim më të fortë të harmonikëve.

Harmonikët mund të krijojnë edhe përgjigje të rreme në sistemet e matjes, të kopjohen në kanale navigimi ose komunikimi dhe të rrisin ngarkesën mbi komponentët pasues. Suprimimi i harmonikëve duhet prandaj të trajtohet si pjesë e dizajnit të daljes së amplifikatorit.

Si funksionon një filtr i ulët frekuencë LC

Një filtr i ulët frekuencë LC përdor sjelljen e kundërt të frekuencës së induktorëve dhe kondensatorëve. Reaktanca induktive rritet me frekuencën:

XL = 2πfL

Reaktanca kapacitive zvogëlohet kur frekuenca rritet:

XC = 1/(2πfC)

Në një topologji tipike, induktorët në seri pengojnë rrymën harmonike me frekuencë të lartë, ndërsa kondensatorët në paralel ofrojnë një shteg me impedancë të ulët që drejton energjinë e papërdorshme drejt tokës. Në frekuencën themelore, vlerat zgjidhen për të mbajtur humbjen e futjes të ulët, në mënyrë që amplifikatori të mund të transferojë energji efikasht te ngarkesa.

Mbi frekuencën e prerjes, zvogëlimi rritet sipas numrit të seksioneve reaktive dhe të përgjigjes së filtrit të zgjedhur. Një rrjet me rend më të lartë ofron një kalim më të thellë kur harmonika e parë e papërdorshme është relativisht afër bandës së kalimit të kërkuar.

Zgjedhja e Frekuencës së Prerjes

Frekuenca e prerjes duhet të jetë e mjaftueshme e lartë për të kaluar sinjalin e dëshiruar dhe brezin e tij të modulimit, por e mjaftueshme e ulët për të zvogëluar harmonikën më të ulët të rëndësishme. Për një bartës të ngushtëbandë me 100 MHz, frekuenca e prerjes mund të vendoset mbi brezin e kanalit të zënë dhe shumë poshtë harmonikës së dytë prej 200 MHz.

Për sistemet me modulim, dizajnerët duhet të marrin në konsiderim gjithë brezin e zënë, maskën spektrale, tolerancën e frekuencës së prodhimit dhe zhvendosjen e temperaturës. Një kufizim i vendosur shumë afër bandës së dëshiruar mund të deformojë envelopën e sinjalit, të zvogëlojë madhësinë e vektorit të gabimit dhe të rrisë fuqinë e reflektuar. Një kufizim i vendosur shumë lart mund të ofrojë një heqje të pakundërt të harmonikëve.

Inputet e rëndësishme për dizajnimin e filtrave përfshijnë:

• Frekuenca fundamentale operative
• Gjerësia e brezit të sinjalit të zënë
• Fuqia maksimale e daljes RF
• Zvogëlimi i kërkuar i harmonikës së dytë dhe të tretë
• Humbja maksimale e pranuar e futjes
• Impedanca e burimit dhe e ngarkesës
• Faqja e temperaturës së funksionimit
• Dimensionet e Paketës
• Ndërfaqja me konektor, montim sipërfaqësor ose me gurë të kaluar

Këto parametra duhet të përcaktohen para se të zgjidhet një filtr i standardizuar ose të zhvillohet një rrjet LC e personalizuar.

Renditja dhe përgjigja e filtrit

Renditja e filtrit përcakton shpejtësinë me të cilën zvogëlohet (attenuation) në mënyrë të shpejtë pas frekuencës së prerjes. Çdo komponent reaktiv shtesë mund të përmisojë zvogëlimin (roll-off), por në të njëjtën kohë sjell edhe humbje shtesë, sensitivitet ndaj tolerancave, kosto shtesë dhe kompleksitet të rritur në vendosjen e qarqeve në pllakën e qarqeve të shtypura (PCB).

Përgjigja Butterworth ofron një bandë kalimi maksimalisht të rrumbullakët dhe është e dobishme kur konzistenca e amplitudës në bandën kalimi është e rëndësishme. Përgjigja Chebyshev ofron një kalim më të thellë për një rend të caktuar të filtrit, por fut një valëzim të kontrolluar në bandën kalimi. Përgjigja eliptike mund të krijojë zero transmetimi dhe refuzim ekstremisht të ngushtë, megjithatë është më e sensitivë ndaj tolerancave të komponentëve dhe efekteve parazitike.

Për suprimimin e harmonikëve të pavarësorëve të fuqisë RF, zgjidhja më e mirë nuk është automatikisht rrjeti me rendin më të lartë. Projektimi optimal e balancon refuzimin e harmonikëve, humbjen e futjes (insertion loss), stresin e tensionit, kapacitetin e bartjes së rrymës, prodhimin e lehtë, madhësinë fizike dhe stabilitetin e pavarësorit.

Në shumë transmetues praktikë, një filtr i ulët-pasues LC me tre deri në shtatë pola ofron një kompromis efektiv midis performancës së refuzimit dhe kompleksitetit të zbatimit.

Përgjegjësia për fuqinë, faktori Q dhe zgjedhja e komponentëve

Llogaritjet e filtreve me sinjal të vogël janë vetëm fillimi. Në daljen e një amplifikatori RF me fuqi, induktorët dhe kondensatorët mund të jenë të ekspozuar ndaj rrymës dhe tensionit RF të konsiderueshëm. Komponentët me vlera të pavlefshme mund të nxehen, të zhvendosen nga frekuenca, të saturohen, të çelën ose të dëmtohen.

Faktori Q i induktorit ndikon ngushtësisht në humbjen e futjes. Një induktor me Q më të lartë ruajnë energjinë me humbje rezistive më të vogla, duke ndihmuar në ruajtjen e efikasitetit të transmetuesit. Kondensatorët duhet të ofrojnë rezistencë të ekuivalentit serik të ulët, kapacitet të qëndrueshëm, karakteristika të përshtatshme dielektrike RF dhe një margjinë adekuate tensioni.

Vlera e tensionit duhet të marrë në konsiderim papërputhjen e impedancës dhe valët që qëndrojnë, jo vetëm kushtin nominal operativ prej 50 oms. Në rast të një përputhjeje të dobët të antenës, tensioni RF maksimal brenda filtrit mund të jetë shumë më i lartë se ai i pritur.

Toleranca e komponenteve është një faktor tjetër i rëndësishëm. Ndryshimet në induktancë dhe kapacitet mund të zhvendosin frekuencën e prerjes dhe pikat e refuzimit të harmonikave. Drifti i temperaturës, parasitët e PCB-së, kapaciteti i vendeve të ngjitjes me soldë, induktanca e gjurmës dhe efektet e kabinetit mund të ndryshojnë edhe më tej përgjigjen e matur.

Për filtra të kompaktë që punojnë në frekuenca më të larta, simulimi elektromagnetik dhe analiza e tolerancës janë të domosdoshme për të siguruar që njësitë prodhuese plotësojnë specifikimet e synuara.

RSWave ofron në dispozicion filtra RF LC në konfigurimet e filtrave të ulët, të lartë, të shiritit të kalimit dhe të shiritit të bllokimit. Gama e produkteve të saj mbështet strukturat kompakte me montim sipërfaqësor dhe me montim nëpër vrima, ndërsa kërkesat e personalizuara për frekuencën, zvogëlimin, paketën dhe ndërfaqen mund të zhvillohen për sisteme RF specializuar.

Vendosja e PCB-së dhe iu lidhja me tokën

Në frekuencat RF, PCB-ja dhe kuti bëhen pjesë e qarkut të filtrit. Trazat e gjata shtojnë induktancë të paparatshme, padet e komponentëve futin kapacitet dhe lidhja e keqe me tokën mund të zvogëlojë në mënyrë të konsiderueshme zvogëlimin në shiritin e bllokimit.

Filtrat LC duhet të instalohen sa më afër që të jetë e mundur me daljen e amplifikatorit të fuqisë. Lidhjet midis tyre duhet të jenë të shkurta, me impedancë të kontrolluar dhe të referuara në një plan të vazhdueshëm tokësimi.

Kondensatorët paralel kërkojnë shtigje tokësimi me induktancë të ulët. Disa vija tokësimi duhet të vendosen afër çdo pad-i të kondensatorit, në mënyrë që rryma me frekuencë të lartë të kthehet efikasht. Një shteg i gjatë midis një kondensatori dhe tokës mund të parandalojë komponentin të ofrojë zvogëlimin e pritur të harmonikave.

Gjurmët e hyrjes dhe të daljes duhet gjithashtu të jenë fizikisht të ndara. Kur ato rrugëzohen afër njëra-tjetrës, lidhja elektromagnetike mund të lejojë energjinë harmonike të anashkalojë rrjetin filtrues. Në module të vogla ose me fuqi të lartë, mund të kërkohet një enkasimet metalike e tokësuar ose një ndarje e brendshme mbrojtëse.

Edhe pse filtri LC është pasiv, humbja e tij e futjes konverton një pjesë të energjisë RF në nxehtësi. Sasia e mjaftueshme e bakrit, rrjedha e ajrit, kontakti termik dhe dizajni i kasës ndihmojnë në ruajtjen e performancës së qëndrueshme të filtrit.

Përputhja e impedancës dhe qëndrueshmëria e amplifikatorit

Filtrat me kalim të ulët duhet të funksionojnë së bashku me rrjetën e përshtatjes së daljes së amplifikatorit. Një filtr që është projektuar për impedanca nominale të burimit dhe ngarkesës prej 50-ohm mund të paraqesë një impedancë reaktive jashtë bandës së kalimit. Prandaj, impedanca e shikuar nga transistori duhet të vlerësohet në një gamë të gjerë frekuencash.

Në frekuencat harmonike, impedanca e ngarkesës mund të ndikojë në efikasitetin e amplifikatorit, në zvarritjen e tensionit në drenc ose kolektor, si dhe në besueshmërinë e transistorit. Në disa sisteme, filtri me kalim të ulët integrohet në rrjetën e përshtatjes së daljes, kështu që kryen të dy funksionet: transformimin e impedancës dhe suprimimin e harmonikëve.

Ky qasje e integruar mund të zvogëlojë numrin e komponentëve dhe madhësinë e modulit, por zakonisht kërkon modele të sakta të transistorit, të dhëna të ngarkesës-së-pullimit (load-pull) dhe simulime të balancës harmonike.

Një analizator vektorial i rrjetit mund të verifikojë humbjen e futjes së filtrit, humbjen e kthimit, frekuencën e prerjes dhe refuzimin e bandës së ndaluar para testimit me fuqi të plotë. Emisionet harmonike mund të maten më pas me një analizator spektri, një bashkëzues drejtimor, zvogëlim RF të përshtatshëm dhe një ngarkesë të pavlefshme me rating të duhur.

Testimi duhet të mbulojë tensionet minimale dhe maksimale të furnizimit, temperaturat ekstreme, rregullimet e ndryshme të fuqisë së daljes, tolerancat e komponentëve në prodhim dhe kushtet e përshtatshme të papërputhjes së antenës.

Sa Suprimim Harmonik është i Mundur?

Nivelu final i suprimimit varet nga dalja origjinale harmonike e amplifikatorit dhe zvogëlimi i filtrit në secilën frekuencë harmonike.

Për shembull, supozoni se një amplifikator prodhon një harmonik të dytë në −25 dBc. Nëse filtri i ulët i frekuencës LC ofron 35 dB zvogëlim në frekuencën e harmonikës së dytë, rezultati teorik i filtruar mund të arrijë −60 dBc.

Matjet aktuale mund të ndryshojnë për shkak të lidhjes së konektorëve, rrezatimit të PCB-së, tokësimit të pasaktë, rezonancës së vetë-komponentëve, shpërthimit të kabinës dhe paprecizionit të matjeve.

Një skemë e saktë teknike e qarkut mund të ofrojë së paku suprimim harmonik kur zbatimi i saj fizik nuk është projektuar sipas parimeve të RF. Kjo është një nga arsyet pse simulimi, projektimi i PCB-së, projektimi i kabinës dhe verifikimi laboratorik duhet të trajtohen si një proces inxhinierie i vetëm.

Për sistemet më të kërkuara, një filtr LC me kalim të ulët mund të kombinohet me një filtr kaviteti, një filtr keramik ose një strukturë të shpërndarë të vijës së transmetimit. Filtrat LC janë tërheqës për shkak të madhësisë së tyre të vogël, fleksibilitetit të integrimi dhe efikasitetit të lartë në kostë. Filtrat kaviteti mund të ofrojnë faktor Q të lartë, humbje të ulëta të hyrjes, refuzim të fortë jashtë bandës dhe kapacitet më të lartë të mbajtjes së fuqisë në shumicën e aplikimeve të mesme dhe të larta të frekuencës.

Zgjedhja e një Filtri LC me Kalim të Ulët të Personalizuar

Një filtr LC i personalizuar është shpesh preferuar kur një komponent i gatshëm nuk mund të plotësojë frekuencën, paketën, rezultatin e refuzimit ose objektivin e fuqisë të kërkuar.

Kur kërkohet një filtr i personalizuar, inxhinierët duhet të sigurojnë:

• Banda e kalimit e kërkuar
• Zona e dëshiruar e prerjes ose e tranzicionit
• Frekuencat e harmonikës së dytë dhe të tretë
• Humbja maksimale e futesë në bandën e kalimit
• Kërkesa për humbje të kthimit ose VSWR
• Objektivat e zbutjes në bandën e bllokuar
• Fuqia maksimale RF e vazhdueshme dhe kulmore
• Faqja e temperaturës së funksionimit
• Dimensionet mekanike
• Konfigurimi i konektorit ose i pin-it
• Kërkesat për ambientin dhe besueshmërinë

Sigurimi i specifikimeve të plotë lejon prodhuesin e filtreve të zgjedhë një topologji të përshtatshme, teknologjinë e komponentëve, strukturën e kasës dhe procesin e prodhimit.

Portofoliu i komponentëve RF të RSWave përfshin filtra LC, filtra shkallësh, filtra keramike mikrovalë, duplexerë, multiplexerë dhe antena. Këto pRODUKTET përdoren në infrastrukturën e komunikimit, zbulimin e radareve, komunikimin satelitor, pajisjet e navigimit, sistemet pa njeri, modujt ajrorë dhe hapësinore, elektronikën industriale RF dhe platformat e personalizuara mikrovalë.

Përfundim

Një filtrë i ulët-pasues LC suprimon harmonikët e amplifikatorit të fuqisë RF duke kombinuar induktancën në seri dhe kapacitetin paralel për të kaluar sinjalin themelor ndërsa refuzon energjinë me frekuencë më të lartë.

Suprimimi efektiv i harmonikëve varet nga shumë më shumë se vetëm zgjedhja e një frekuence prerjeje. Rendi i filtrit, lloji i përgjigjes, faktori Q i komponentëve, ratingu i fuqisë, sjellja e impedancës, lidhja me tokën, mbrojtja, menaxhimi termik, vendosja në PCB dhe toleranca e prodhimit ndikojnë të gjithë në performancën reale.

Kur këto faktorë adresohen së bashku, një filtrë LC me ulje të frekuencës, i projektuar mirë, mund të zvogëlojë në mënyrë të konsiderueshme emisionet harmonike të dytë dhe të tretë, të përmisojë compatibilitetin elektromagnetik, të mbrojë pranuesit e afërt dhe të ndihmojë një transmetues RF të plotësojë kërkesat e tij spektrale.

Për aplikacionet që kërkojnë një paketë të vogël, humbje të ulëta të hyrjes, refuzim të përcaktuar të harmonikëve, besueshmëri të lartë ose një ndërfaqe jostandarde, një filtrë i personalizuar RF LC ofron një rrugë praktike nga dizajni i qarkut deri në performancën e gatshme për prodhim të RF.