RF žemos dažnių juostos filtras: projektavimas, techniniai parametrai ir taikymo sritys

Inžinieriai, kuriantys šiuolaikiškas belaidžių sistemų įrangą, nuolat kovoja su nepageidaujamais harmonikais, iš juostos išsisklaidančiais signalais ir tarpkanalinėmis sąveikomis. RF žemos dažnių juostos filtras yra pagrindinė gynybos linija RF priekinėje grandinėje. Jo pagrindinė funkcija paprasta: leisti praeiti signalams, kurių dažnis yra žemesnis už nustatytą atpjovimo dažnį, su minimaliu slopinimu, tuo tarpu aukštesnių dažnių signalai slopinami stipriai. Tačiau šią paprastą idėją paversti patikima įranga reikalauja subalansuoti įterpimo nuostolius, galios naudojimą, korpuso dydį ir fazės atsaką.

Teisingo RF žemos dažnių juostos filtro geometrijos pasirinkimas ir techninių reikalavimų tikslinimas tiesiogiai lemia, ar sistema atitiks reglamentines nuostatas ir užtikrins patikimus ryšio rezervus. Šių kompromisų supratimas yra būtinas projektuojant šiuolaikiškas telekomunikacijų bazines stotis, IoT modulius ir transliuojančius siųstuvus.

Pagrindinių filtrų topologijų supratimas

RF žemo dažnio filtro pasirinkimas reikalauja tinkamos fizinės topologijos parinkimo atsižvelgiant į veikimo dažnį, galios reikalavimus ir mechaninio dizaino apribojimus. Pagrindinės trys fizinės RF dizaino parinktys yra susitelktieji LC filtrai, keraminiai RF filtrai ir didelės galios ertminiai žemo dažnio filtrai.

• Susitelktieji LC filtrai : Standartiniai induktoriai ir kondensatoriai gerai veikia žemo dažnio projektuose iki maždaug 1 GHz. Jų pagrindinis privalumas – lanksti išdėstymo galimybė, žema pradinė kaina ir lengva nukreipimo dažnio reguliavimo galimybė. Tačiau aukštesniuose mikrobangų dažniuose parazitinė talpa, nuoseklinė induktyvumas ir komponentų tikslumo svyravimai sukelia našumo sumažėjimą. Mažėjant plokštės erdvei diskretūs paviršiaus montavimo induktoriai ir kondensatoriai patiria netikėtą sąveiką, kuri riboja stabdymo juostos slopinimą.
• Keraminiai RF filtrai keraminiai RF filtraai pakeičia atskirus komponentus rezonuojančiomis struktūromis, kurios spausdinamos arba kartu deginamos aukštos dielektrinės skvarbos keraminėse pagrinduose. Tai užtikrina puikią šiluminę stabilumą, mažą dydį ir stačią perėjimo juostos į stabdymo juostą nuolydžio charakteristiką. Jie yra standartiniai mobiliųjų įrenginių, kompaktiškų „Wi-Fi“ radijo imtuvų ir žemo galios „IoT“ perdavimo priėmimo įrenginių komponentai, kuriose spausdintinės plokštės plotas yra ribotas. Jų pagrindinis kompromisas susijęs su galios valdymu, kuris dėl šilumos išsisklaidymo apribojimų keraminėje pagrindo medžiagoje paprastai neviršija 10 W.
• Vidaus erdvės žemo dažnio filtrai aukštos galios radijo sistemoms, kurių galia viršija dešimtis ar šimtus vatų, ertminiai žemo dažnio filtraai yra pramonės standartas. Šie įrenginiai pagaminti iš vientiso aliuminio ar vario ir turi vidinius rezonuojančius ertminius elementus, kurie užtikrina labai mažą įterpimo nuostolį – dažnai mažesnį nei 0,2 dB – bei galėjimą tvarkyti šimtus ar tūkstančius vatų galios. Nors tokie ertminiai žemo dažnio filtraai yra didesni ir brangesni gaminti, jų konstrukcija suteikia aukštą Q faktorių, reikalingą perdavimo įrenginių išėjimams telekomunikacijų bazinėse stotyse ir televizijos transliacijos bokštuose.

Filtraų topologijų palyginimas

Svarbiausi RF filtrų techniniai parametrai, kuriuos privalo įvertinti kiekvienas inžinierius

Priderinant filtrą prie sistemos išdėstymo reikia peržiūrėti pagrindinius RF filtro techninius parametrus. Nepastebėjus vieno parametro gali būti sumažinta imtuvo jautrumas, įvykti šiluminis perkrovimas arba blogėti duomenų perdavimo našumas.

• Nukritimo dažnis (Fc ) : Dažnis, kuriame signalo galia sumažėja 3 dB lyginant su pralaidžiosios juostos perdavimu. \(F_c\) žymi naudingos pralaidžiosios juostos spektro viršutinę ribą.
• Įterpimo praradimas : Įterpimo nuostoliai pralaidžiosios juostos viduje. Mažesni įterpimo nuostoliai išsaugo galios stiprintuvo naudingumo koeficientą ir padeda išlaikyti žemą sistemos triukšmo koeficientą.
• Uždraustosios juostos slopinimas : Užkliovimo gylis konkrečiais harmonikos ar trukdžių dažniais, matuojamas decibelais. Šis parametras nustato, kaip veiksmingai filtras bloškia nepageidaujamus dažnius už pralaidžiosios juostos ribų.
• Atspindėjimo nuostoliai ir bangos styginis koeficientas (VSWR) : Įtampų stovinčiųjų bangų santykis (VSWR) matuoja impedansų pritaikymą visoje sistemos charakteristiniame impedanse (paprastai 50 Omo). Blogas atspindžio nuostolis reiškia, kad galia grįžta į siuntėjo galios stiprintuvą, sukeliant šilumą ir iškraipymus.
• Filtras: eilė ir nuolydis : Polių skaičius nulemia slopinimo stačiumą už kirpties dažnio. Standartinis trečiosios eilės filtras suteikia maždaug 18 dB per oktavą nuolydį, o septintosios eilės filtras – iki 42 dB per oktavą. Papildomi poliai padaro nuolydį stačesnį, tačiau tuo pačiu padidina įterpimo nuostolius, fazės netiesiškumą ir grandinės dydį.
• Grupės delsos plokštumas : Skaitmeniškai moduliuotose ryšių sistemose (pvz., QAM arba OFDM) netiesinė fazės charakteristika sukelia delsos pokyčius visame pralaidumo juostos dažnių diapazone. Plokščia grupės delsa riboja tarpženklįs sąveiką ir išlaiko žemą bitų klaidų normą.

Tikroji taikymo sritys ir gedimų šalinimas

Perkuriant UHF siųstuvą, veikiantį apie 270 MHz dažnį, inžinieriai susidūrė su per didelėmis trečiosios harmonikos emisijomis 810 MHz dažnyje. Senoji paviršinio montavimo LC žemos dažnių juostos filtras neturėjo pakankamo stabdymo juostos slopinimo gylies, kad atitiktų FCC atitikties standartus, todėl emisijos viršijo leistinus ribų reikšmes 8 dB.

Pakeitus diskretinę LC struktūrą aukšto Q faktoriaus, penkių polių keraminiu RF filtru buvo padaryta stačiau nuviršio kreivė, o harmonikų slopinimas padidėjo dar 35 dB. Tai lengvai užtikrino siųstuvo atitiktį reguliavimo reikalavimams. Be to, pereinant prie keraminio RF filtro paviršinio montavimo išdėstymo buvo sutaupyta plokštės vietos, todėl toje pačioje sluoksnyje liko vietos stebėjimo grandinėms.

RF žemos dažnių juostos filtrų integravimas į sudėtingas RF sistemas

RF žemos dažnių juostos filtro įdėjimas į signalų grandinę labai priklauso nuo veiklos tikslų:

• Siųstuvo galios stiprintuvo (PA) išėjimai : Įmontuojamas tiesiogiai po PA etapo, žemo dažnio filtras (LPF) slopina didelės galios netiesinius harmonikus prieš tai, kai signalai pasiekia anteną, apsaugodamas gretimas kanalus ir užtikrindamas, kad perdavimai atitiktų teisėtus spektrinius šablonus.
• Imtuvo priekiniai blokai : Įmontuojamas prieš žemo triukšmo stiprintuvus, RF žemo dažnio filtras neleidžia aukštos amplitudės iš juostos transliuotojams saturaoti aktyvių imtuvo komponentų.
• Dupleksiniai ir diplekseriniai komplektai : Su jungiamaisiais aukšto dažnio arba juostos pralaidumo tinklais žemo dažnio filtrai atskiria perduodamąją ir priimamąją dažnių juostas, užtikrindami švarų izoliavimą bendrose antenos sistemose.

Inžinerinė patirtis ir gamybos palaikymas

Aukštos našumo RF žemo dažnio filtrų projektavimas reikalauja tikslaus grandinės modeliavimo, specializuotų elektromagnetinių išdėstymo įrankių ir griežtos gamybos kokybės kontrolės. Šiuolaikinės belaidžių ryšių tinklų reikalavimai – tai pritaikytos sprendimų schemos, nes standartiniai komponentai neatitinka nuostolių specifikacijų ar mechaninių formos faktorių.

Specializuoti gamintojai, pvz., „Zhenjiang Worldpeak Communication Co., Ltd.“, palaiko pasaulinės tinklo diegimą su pritaikyta RF filtrų inžinerija. Palaikant visiškai integruotas modeliavimo, maketavimo, CNC apdirbimo ir automatinio bandymo įrangas, keraminiai RF filtrai ir ertmių žemo dažnio filtrų komplektai gali būti pritaikyti tiksliai pagal sistemos reikalavimus. Kiekvienas filtras prieš įdiegimą visiškai išbandomas naudojant vektorinį tinklo analizatorių, kad būtų nustatyti įterpimo nuostoliai, bangos stovinčiosios santykis (VSWR) ir atmetimo parametrai, todėl inžinieriai gali užtikrinti patikimą belaidžio ryšio veikimą visame pasaulyje.