El reto de la separación de frecuencias

Los sistemas de comunicación modernos dependen cada vez más de operaciones simultáneas en varias bandas de frecuencia. Ya sea que sea sensible#8217; es una estación base celular que maneja 4G y 5G, una terminal de satélite que recibe y transmite en diferentes bandas, o una radio definida por software que cubre un amplio espectro, la capacidad de separar o combinar las señales es crítica.

Este producto, introducido por Phillip H. Smith en 1939, es esencial para los ingenieros de RF que necesitan visualizar las redes de implecidad de impecticidad, que se utilizan para diseñar las redes de impecticidad, que no son triviales. Los filtros dentro de un plegable o dúplex deben exhibir bordes de bandas afilados, baja pérdida de inserción, alto aislamiento y buena impedancia.

Smith Chart Fundamentals

El gráfico Smith es una trama polar del coeficiente de reflexión (gamma) sobrelavado con las coordenadas de impedancia normalizada y de admisión. Cada punto en el gráfico representa una combinación única de resistencia y reacción (o conductance y susceptance). El gráfico Adán #8217;s propiedad clave es que cualquier transformación pasiva de impedancia (como agregar un inductor de serie o un stub de brillo) parece resolverse como una red de rotación predecible.

Para el trabajo de plegamiento y duplexer, el gráfico Smith es particularmente valioso porque muestra cómo la impedancia varía con frecuencia. Una sección de filtro que parece un perfecto partido de 50-ohm en su frecuencia central podría presentar un impedancia muy diferente en el borde de la banda de paso o en la banda de parada. Al trazar los rastros de impedancia de los resonadores individuales de filtros o redes de filtros enteras, el diseñador puede identificar dónde se producen los desajustes y qué pasos correctores.

Recursos externos: Una introducción completa a la teoría de la gráfica Smith y la trama está disponible en Microwaves101.

Coeficiente de impedancia y reflexión

El coeficiente de reflexión > 915; se define como la relación de la onda de voltaje reflejada a la onda de voltaje de incidentes. Es un número complejo. La gráfica Smith normaliza impedancia por el sistema Pulsera#8217; su impedancia característica (normalmente 50 ohms). Un partido perfecto da > 915; = 0, que trama en el centro. Un circuito abierto trama a la derecha, un cortocircuito de la forma de reacción del círculo de resistencia.

Arquitectura Diplexer y Duplexer

Antes de aplicar la gráfica Smith, ayuda a recordar la estructura típica de un plegable. Un plegable consiste en un puerto común y dos puertos de banda específicos. El puerto común está conectado a la antena; el puerto 1 podría filtrar una banda de frecuencia inferior, el puerto 2 una banda superior. En el interior, dos filtros de bando se unen a la unión común. Su impedancia de entrada combinada debe ser igualado a la impedancia de la antena (porrevisto).

Un dúplexer es un caso especial de un plegable donde los dos canales están dedicados a transmitir y recibir simultáneamente. Los requisitos de aislamiento son generalmente mucho más estrictos — 80 dB o más— para evitar que el transmisor de alta potencia desensibilice al receptor sensible. Los dúplex utilizan a menudo los resonadores de cavidad o filtros coaxiales de cerámica, pero la metodología de diseño que utiliza el gráfico Smith sigue siendo la misma.

Usando el Gráfico Smith para la Impedancia Coincidiendo en Diplexers

La compatibilidad de la impedancia es central para el rendimiento de la plegaria. En la unión común, las dos impedancias de filtro son efectivas en paralelo. Para la impedancia general a ser 50 ohmios, cada filtro debe presentar un valor de impedancia específico en frecuencias donde el otro filtro está activo. Aquí es donde brilla la gráfica Smith.

Diseño de redes de emparejamiento

Normalmente, cada filtro está diseñado individualmente para tener un impedancia de 50 ohmios en su banda de paso. Sin embargo, cuando se combina, la interacción entre filtros puede causar inclinación de impedancia. El gráfico Smith ayuda al diseñador a añadir elementos de transformación de impedancia — como secciones de línea de transmisión o redes de L-C agrupadas— entre la unión común y cada filtro. Al compilar las impedancias de filtro y la longitud de destino deseada, el ingeniero puede determinar la característica

Por ejemplo, suponga que el filtro de banda inferior muestra una impedancia de 25 + j10 ohms en la frecuencia central de banda superior. Esa impedancia debe ser transformada a una impedancia alta (aproximando un circuito abierto) de modo que no cargue el filtro de banda superior. En el gráfico Smith, esto significa girar el punto hacia el lado derecho (alta resistencia) utilizando una línea de transmisión de longitud apropiada.

Stub Tuning

Una técnica común es utilizar un tono de circuito abierto o corto en la unión común para cancelar la parte reactiva de la impedancia del filtro. La longitud y colocación del tono se determinan dibujando círculos de conductividad constantes y encontrando el punto en el que la admisión total se vuelve puramente real e igual al valor deseado (por ejemplo, 0,02 S para un sistema de 50 ohmios).

Recursos externos: Para una inmersión más profunda en el juego de tono, vea ] tutorial de gráfico Smith deRF Cafe.

Diseño de secciones de filtros con el Gráfico Smith

Los filtros de bandpass pueden diseñarse usando el gráfico Smith. Mientras que el software moderno automatiza gran parte de esto, entender el método gráfico subyacente es invaluable para la solución de problemas y la optimización.

Filtros de Elemento Bombeado

Para frecuencias inferiores (normalmente por debajo de unos pocos cientos de MHz), los plegables suelen utilizar componentes de L y C agrupados. El diseñador comienza especificando la frecuencia central, ancho de banda y pérdida de inserción. La topología del filtro (por ejemplo, una respuesta de Butterworth o Chebyshev) produce un conjunto de valores de impedancia ideales en cada resonador.

Filtros de Elemento Distribuidos

En frecuencias de microondas (ambos 1 GHz), los segmentos de líneas de transmisión reemplazan los componentes agrupados. Los filtros se construyen a menudo utilizando líneas acopladas, resonadores de espacio abierto o estructuras de impactos a paso. La gráfica Smith simplifica el diseño de estos elementos. Por ejemplo, un transformador de onda trimestral, un dispositivo de conexión de impedancia común, se representa como una rotación de 180 grados alrededor del centro de la línea

Pasos prácticos en Smith Chart-Based Diplexer Design

Caminemos a través de un flujo de diseño realista que un ingeniero RF podría seguir.

  • Define las bandas. Suponga un plegable que divide 700–800 MHz (Band A) y 1800–1900 MHz (Band B). El puerto común debe ser igualado a 50 ohmios a través de ambas bandas.
  • Design individual filters. Usando síntesis de filtros convencionales (por ejemplo, teoría de resonador combinado), crea un filtro de bandapass Chebyshev de 5 polos para cada banda con ancho de banda de 0,5 dB y ancho de banda apropiado. Simula cada filtro solo para obtener su impedancia versus frecuencia. Exporte los parámetros S.
  • Parcela en la gráfica Smith. Superar la impedancia del filtro A y el filtro B en la misma gráfica Smith (normalizado a 50 ohmios).Observar que a 700–800 MHz, Filtrar Un impedancia círculos alrededor de 50 ohmios, mientras que la impedancia del filtro B está lejos (alto reflejo).
  • Ver el aislamiento. Para un plejillo, el reflejo de un filtro en la banda de paso del otro puede degradar la pérdida de inserción. El gráfico Smith muestra la impedancia que cada filtro presenta al otro. Si la impedancia no es suficientemente abierta o corta, debe insertarse una red de emparejamiento.
  • Insert matching network. Supongamos a 1900 MHz, Filter A presenta una impedancia de 5 + j30 ohms (normalizado a 0.1 + j0.6). Esta baja resistencia absorberá la potencia de la señal de Banda B. En el gráfico Smith, dibuja un círculo de conductividad constante a través del punto 0.1 + j0.6.
  • нерентелинитентеле red combinada.Seguido / fuerte contacto Después de añadir stubs o secciones de onda trimestral, simular el plegable completo. Cheque S11 (pérdida de retorno del puerto común), S21 (pérdida de inserción del pasas), S31 (otro pérdida de inserción de banda), y S23 (información entre puertos).
  • Iterate. Ajuste las longitudes de los torceduras o las impedancias de transformador en pequeños pasos. La gráfica Smith proporciona retroalimentación visual inmediata — si la impedancia se aleja del objetivo, la dirección correctiva es obvia.

Este proceso no es un ejercicio único. En la práctica, se requieren varias iteraciones para adaptarse a las tolerancias de fabricación y los efectos de temperatura. El gráfico Smith ayuda al ingeniero a mantenerse en el camino sin perderse en matrices de impedancia compleja.

Herramientas de simulación y optimización

Mientras que el gráfico manual Smith es excelente para el diseño conceptual y solución de problemas, el software RF moderno lo integra perfectamente. Herramientas como Keysight ADS, Ansys HFSS, o paquetes de código abierto (por ejemplo, QucsStudio) permiten al usuario trazar S-parameter medidos o simulados en un gráfico Smith incrustado y añadir elementos de ajuste con arrastrar y soltar.

Incluso cuando se utiliza el software, entender el gráfico Smith sigue siendo esencial. Impide al diseñador tomar decisiones que violen las limitaciones fundamentales (por ejemplo, intentar equiparar una resistencia muy baja con un ductor de una serie única puede llevar a longitudes imprácticas).El gráfico también ayuda a interpretar los resultados de simulación: una curva de impedancia espiral a menudo indica una resonancia parasitaria o una conexión deficiente.

Recursos externos: Para ejemplos de uso de gráficos Smith basados en software en el diseño de filtros, consulte las notas de aplicación de Keysight Technologies.

Consideraciones avanzadas para plegables

Los plegables imponen requisitos más estrictos sobre el aislamiento y el manejo de potencia. El método de la gráfica Smith se extiende a estos casos pero con complejidad adicional. Para el alto aislamiento, los resonadores se organizan a menudo en una configuración “balanceada” donde los filtros de transmisión y recepción anulan la impedancia de los demás en el puerto común. Esta cancelación es visible en la gráfica Smith como dos trazas de impedancia que están fuera de fase 180 grados.

Otra técnica avanzada es el uso de diplexores de doble colecta, donde un manifold de línea de transmisión conecta los filtros en lugar de una simple unión. La longitud del manifold y los puntos de tap se optimizan utilizando el gráfico Smith para lograr la carga uniforme. Cada filtro aparece como una carga compleja en su punto de conexión; el manifold transforma estas cargas para que el impedancia composite sea de 50 ohmios.

Recursos externos: En el artículo de la revista "EIEEE Microwave Magazine ] ] "Diseño de un Diplexer utilizando un enfoque de coupulación múltiple"] (2019).

Conclusión

El gráfico Smith es mucho más que un artefacto histórico; sigue siendo una herramienta poderosa e intuitiva para el diseño de los plegadores y duplexers. Al proporcionar un mapa visual de las transformaciones de impedancia, permite a los ingenieros concebir rápidamente redes de emparejamiento, validar interacciones de filtros y optimizar el rendimiento. Desde el concepto inicial hasta el ajuste final, el gráfico Smith reduce el adivinanzamiento y acelera el ciclo de desarrollo.