EN
RF-vaimentimen suunnittelun perusteet: T-, Pi-piirit ja tärkeimmät suorituskykyparametrit
Kiinteät vaimentimet näyttävät yksinkertaisilta: muutama vastus, joka vähentää signaalia tietyn määrän desibelejä. Käytännössä rf-vaimentimen suunnittelu kyse on yhtä paljon sovitusongelmasta kuin vaimennusongelmastakin. Vaimennin (pad) on toimitettava tarkoitetun vaimennuksen lisäksi oikea impedanssi sekä RF-polun molemmille puolille. Jos näin ei tehdä, heijastukset voivat muuttaa mitattua vaimennusta, häiritä lähdettä tai kuormaa ja saada siistin näköisen laskelman toimimaan huonosti taajuuden funktiona.
50-ohmin järjestelmissä T- ja Pi-vaimentimet ovat kaksi hyödyllisintä lähtökohtaa. Ne ovat passiivisia, käänteisiä vastusverkkoja, jotka voidaan suunnitella yhtä suurille lähteelle ja kuormalle tai muokata impedanssimuunnokseen. Tässä artikkelissa keskitytään yhtä suurten impedanssien tapaukseen ja yhdistetään sitten piirivalinta taajuusalueeseen, tehonkäsittelykykyyn, VSWR:ään ja vaimennustarkkuuteen.
Aloita järjestelmävaatimuksesta, ei vastusarvoista
Tarkka rf-vaimentimen suunnittelu alkaa viidellä kysymyksellä: Mikä vaimennus vaaditaan? Mikä on viite-impedanssi? Millä taajuusalueella vaimennuksen tulee pysyä tasaisena? Mitkä keskimääräiset ja huippu-tehot voivat esiintyä? Ja kuinka suurta epäsovitusvirhettä ympäröivä järjestelmä voi sietää? Pelkkä haluttu vaimennus ei riitä täydelliseksi määrittelyksi.
Esimerkiksi 10 dB:n vaimennin 50 ohmin testipolulla tulisi ideaalisesti näyttää 50 ohmin impedanssina sekä sisääntulossa että ulostulossa. Siksi hyvin suunniteltu vaimennin voi parantaa eristystä lohkoiden välillä, vaikka se tarkoituksellisesti pienentääkin signaalitasoa. Vaimennus absorboi osan heijastuneesta energiasta ja auttaa jokaista kytkettyä lohkoa näkemään vakummman impedanssin.
Yksinkertaisimmillaan jännitesuhde lasketaan kaavalla K = 10 A/20 , jossa Amissä A on vaimennus desibeleinä. Vastuskaavat johdetaan sitten vaatimuksesta, että molemmat portit pysyvät sovittuina. Laske ensin, valitse käytännölliset vastusarvot toiseksi ja varmista kokoonpanon toiminta viimeiseksi.
T-vaimentimen rakenne: sarjaan kytkettävä topologia
Symmetrinen T-vaimennin käyttää kahta sarjaresistanssia ja niiden välissä olevaa rinnakkaisresistanssia. Sitä on usein helppoa ymmärtää, koska signaalipolku kulkee näkyvästi kahden sarjahaaran läpi. Yhtä suurilla viiteimpedansseilla S:n 0, standardit ideaaliset suhteet ovat:
- Jokainen sarjahaara: R sarja = Z 0(K − 1)/(K + 1)
- Keskimmäinen rinnakkaishaara: R shunt = 2Z 0K/(K 2− 1)
50-ohmin järjestelmässä nämä yhtälöt antavat ideaalin vastusjoukon ennen suositeltujen arvojen pyöristämistä, toleranssianalyysiä ja häviökomponenttien mallintamista. T-padin käyttö voi olla kätevää, jos piirilevyn asettelussa on jo olemassa sarjakytkentäkatkos tai jos keskimmäinen solmu voidaan maadoittaa lyhyellä, matalainduktanssisella yhteydellä.
Kompromissi on fyysinen. Korkeammilla taajuuksilla sarjaresistanssipadit ja maadoitettu keskiliitäntä lisäävät haitallisesti induktanssia ja kapasitanssia. Piirilevyn asettelu, joka on sähköisesti lyhyt alhaisilla taajuuksilla, ei välttämättä enää toimi jakautuneena verkostona taajuusalueen yläpäässä. Topologia on edelleen kelvollinen; toteutusta on tarkistettava käytännössä käytetyn resistanssipaketin, liitosalueen (land pattern) ja liittimen siirtymän avulla.
Pi-vaimentimen topologia: shunt-liitäntöihin sopiva topologia
Symmetrinen Pi-vaimentin käyttää kahta shunt-resistanssia – yhtä kummassakin portissa – ja yhtä sarjaresistanssia niiden välissä. Se on sähköisesti yhtä tehokas kuin T-padin topologia samanarvoisille lähtö- ja kuormaimpedansseille, mutta sen geometria sopii erilaiseen piirilevyn tai koaksiaalipiirin asetteluum. Pi-vaimentinta pidetään usein houkuttelevana vaihtoehtona, kun molemmat portit tarjoavat kätevän pääsyn maadoitukseen ja sarja-elementti voidaan pitää lyhyenä niiden välillä.
Kumpikaan topologia ei voita kaikissa asettelussa. Valitse verkko, joka säilyttää jatkuvan RF-maadoituksen, pitää virtasilmukan pienenä ja sijoittaa vastuksen parasitiikat paikkaan, jossa ne aiheuttavat vähiten haittaa. Käytännöllinen sovitus on tärkeämpi kuin T- tai Pi-topologian valinta tapana.
| Päätöstekijä | T-padin | Pi-padin |
|---|---|---|
| Fyysinen kuvio | Kaksi sarjahaaraa ja yksi keskitetty shuntti | Yksi sarjahaara ja shuntit molemmissa porteissa |
| Hyödyllinen asetteluehto | Luonnollinen sarjakytkentä lyhyen keskitetyn maadoituksen kanssa | Vahva maadoitustukipiste molemmissa porttisolmuissa |
| Yleinen suunnittelutavoite | Sovitettu vaimennus tiukassa sarjapolussa | Sovitettu vaimennus portin puoleisella shunt-ohjauksella |
| Mitä tarkistetaan | Sarjaparasiitit ja keskellä sijaitsevan läpiviennin induktanssi | Shunt-maadoituksen laatu ja porttien epäjatkuvuudet |
Keskeiset suorituskykyparametrit, jotka määrittävät, toimiiko piirilevy.
Vaimennusarvo ja tasaisuus
Nimellisvaimennus on määritelty vähentäminen viiteolosuhteissa. Todellisessa rf-vaimentimen suunnittelu käytössä käyttökelpoisempi kysymys on, kuinka paljon vaimennus muuttuu vaaditulla taajuusalueella ja lämpötila-alueella. Vastuun toleranssi, taajuusriippuiset parasiitit, liittimen siirtymät ja lähellä oleva metallityös osa voivat kaikki muuttaa tulosta. Laajakaistaisessa käytössä pyydä tai mittaa vaimennusta taajuuden funktiona sen sijaan, että luotaisiin yhteen keskitaajuuteen perustuvaan arvoon.
Taajuusalue
Vastusverkolla ei ole terävää katkokulmaa ideaalisessa piirimallissa, mutta sen pakkaus ja asettelu kyllä sitä sisältävät. Pidä yhteysjohdot lyhyinä, vältä pitkiä maayhteyksiä ja mallinna tai mitaa valmis kokoonpano vektoriverkkianalysaattorilla, kun käyttötaajuusalue tekee häiriövaikutuksesta merkityksellisen. Vaimentimen ostaminen huomattavasti järjestelmän taajuusalueen yläpuolella ei automaattisesti tee siitä parempaa vaihtoehtoa; lisävaraa tulisi käyttää vain todellisen taajuus- tai sovitusvaatimuksen ratkaisemiseen.
VSWR ja heijastushäviö
VSWR ja takaisinheijastumisen vaimennus kuvaavat impedanssisovitusta. Hyvä sovitus on tärkeää, koska heijastukset vaikuttavat sekä toimitettuun tehoon että mittauksen luotettavuuteen. Erityinen vaimennin voidaan lisätä parantamaan eristystä, mutta vain jos vaimennin itse säilyttää riittävän hyvän sovituksen koko käyttötaajuusalueella. Tarkista syöttö- ja lähtö-VSWR erikseen, kun sovellus on suuntainen tai kun lähteen ja kuorman olosuhteet eivät ole identtiset.
Tehonkäsittelykyky ja vastusten tehonkulutus
Kokonaissyöttöteho ei ole riittävä. Suurimman osan energiasta absorboiva vastus saattaa saavuttaa lämpötilarajansa ensimmäisenä, erityisesti korkealla vaimennuksella tai epäsovitulla kuormalla. Tarkista keskimääräinen teho, huipputeho, pulssiehdot, lämmönpoisto ja vastusten tehon alentaminen (derating). Korkeatehoisemmissa koaksiaalisissa sovelluksissa valmiiksi valmistettu komponentti voi olla suositeltavampi kuin piirilevyn tasolla oleva vastus, koska pakkausrakenne, lämmönkulku ja liitinliitäntä kuuluvat sen luokitukseen.
Jos valmis ratkaisu sopii vaadittuun taajuusalueeseen ja liitäntään, tuotetta kuten tätä 100 W 4,3/10 -koaksiaalivaimennin voidaan arvioida sovelluksen määrittelyjen perusteella. Vahvista julkistettu vaimennusvaihtoehto, käyttötaajuusalue, tehoehdot ja liittimen yhteensopivuus ennen valintaa.
Käytännöllinen varmistusjärjestelmä
- Aseta vaimennus, referenssivastus, taajuusalue ja tehoehdot.
- Laske ideaaliset T- tai Pi-arvot sovitulle järjestelmälle.
- Valitse vastusarvot ja -pakkaukset toleranssien, jännitteen ja lämpövarojen perusteella.
- Suunnittele verkko lyhyellä RF-polulla ja matalainduktanssisilla maadoituspaluuilla.
- Mitaa S-parametrit koko käyttötaajuusalueella ja tarkista sitten tehomittaukset suunnitellulla kuormitussykliä.
Yksi hyödyllinen muistutus: alhainen läpäisyhäviö ei ole vaimentimen tavoitteena. Tavoitteena on hallittu häviö ja toistettava impedanssi. Kun T- tai Pi-topologia, vastusteknologia ja mekaaninen toteutus ovat kaikki linjassa järjestelmän vaatimusten kanssa, tuloksena oleva vaimenninmuuntaja muodostuu ennustettavana RF-rakennuspalikana eikä epävarmana heijastusten lähteenä.
RF-vaimentimen suunnittelun tarkistuslista yleisimmille päätöksille
Käytä tätä lyhyttä tarkistuslistaa tarkistaessaasi rf-vaimentimen suunnittelu . Se muuntaa vastuslaskelman komponentinvalintapäätökseksi.
Vastaaako RF-vaimentimen suunnittelu järjestelmän impedanssia?
Arf-vaimentimen suunnittelu 50 ohmin vaimentin ei automaattisesti sovellu 75 ohmin polkuun. Vahvista lähtö- ja kuormaimpedanssi ennen T-padin tai Pi-padin laskemista. Jos ne poikkeavat toisistaan, käytä sovitusvaimentimen laskentaa eikä pakota yhtäsuurta impedanssia olevaa kaavaa.
Onko rf-vaimentimen suunnittelu määritelty koko todellisella taajuusalueella?
Ilmoita alin ja ylin käyttötaajuus. Uskottava rf-vaimentimen suunnittelu sisältää vaimennustoleranssin ja VSWR:n koko tällä alueella, ei ainoastaan yhdellä nimellisellä taajuudella.
Kestääkö rf-vaimentimen suunnittelu todellisen tehon käyttökuorman?
Tarkista jatkuvat, huippu-, pulssi- ja sovitusvirhetilanteet. Suurtehoisessa rf-vaimentimen suunnittelu resistoreiden lämpötilan nousu ja lämmön leviäminen voivat olla rajoittavampia kuin nimellinen desibeliarvo.
Onko rf-vaimentimen suunnittelua mitattu kokoonpanon jälkeen?
Pöytälaskelmat määrittävät tavoitteen; verkkotarkastimen tiedot vahvistavat valmiin rf-vaimentimen suunnittelu :n. Mittaa S11, S22 ja S21, ja vertaa niitä alkuperäisiin vaimennus- ja sovitusvaatimuksiin.
Ostotarkastelua varten kirjaa tarjouspyyntöön (RFQ) topologia, nimellinen vaimennus, impedanssi, taajuusalue, maksimiteho, liittimen tyyppi ja VSWR. Tämä tekee rf-vaimentimen suunnittelu vaatimus, joka on testattavissa kaikkien toimittajien kesken.
Tuotantovapautukseen määritellään hyväksyntäalue vaimennukselle ja paluutappiolle. Toistettava rf-vaimentimen suunnittelu määritellään mitattujen rajojen perusteella, ei pelkästään kytkentäkaavion perusteella.
Usein kysytyt kysymykset rf-vaimentimien suunnittelusta
Mikä topologia tulisi valita rf-vaimentimen suunnittelussa?
Valitse T- tai Pi-topologia asettelun ja maadoituksen geometrian perusteella. Molemmissa rf-vaimentimen suunnittelu , molemmat voivat muodostaa sovitun kiinteän vaimentimen, kun niiden arvot ja fyysinen toteutus ovat oikeat.
Miksi VSWR on tärkeä rf-vaimentimen suunnittelussa?
VSWR paljastaa sovitusvirheen. Alhainen heijastus rf-vaimentimen suunnittelu tarjoaa ennustettavamman signaalitasoisuuden ja paremman erottelukyvyn kytkettyjen rf-vaiheiden välillä.
