Utilizando el Gráfico Smith para la Isolación RF y Optimización Crosstalk

El Smith Chart es una herramienta gráfica fundamental que ha sido una piedra angular de la ingeniería RF durante décadas. Proporciona un método compacto e intuitivo para visualizar impedancia compleja, coeficientes de reflexión y comportamiento de línea de transmisión. Aunque a menudo se asocia con la antena de combinación y diseño de filtros, el Smith Chart es igualmente valioso para evaluar y mejorar los parámetros de nivel del sistema, como aislamiento y crosstalk.

La carta Smith: Una herramienta visual para la coincidencia de impedancia

Origen y principios básicos

Desarrollado por Phillip H. Smith en los años 1930, el Smith Chart mapea todo el complejo plano de coeficiente de reflexión (Gamma) en un plano de impedancia normalizado. Utiliza círculos de resistencia constante y arcos de reacción constante, permitiendo a los ingenieros trazar valores de impedancia medidos o calculados directamente. El gráfico es esencialmente una solución gráfica a la ecuación de línea de transmisión, lo que hace posible determinar la transformación de impedancia, la onda de tensión =

Para utilizar el gráfico de manera efectiva, los ingenieros normalizan la impedancia a la impedancia característica del sistema, típicamente 50 Ω. Esta normalización significa que cualquier punto en el gráfico puede ser leído como una relación relativa a Z0. Por ejemplo, una impedancia normalizada de 1 + j0 corresponde a un perfecto partido de 50 Ω. Cualquier salida del centro indica un desajuste que causará reflexiones.

El coeficiente de relación entre impedancia y reflexión

El gráfico Smith se relaciona directamente con la impedancia al coeficiente de reflexión. El coeficiente de reflexión Dimensiones = (Z - Z0) / (Z + Z0) se muestra como vector del centro de la gráfica. La magnitud de la luminaria determina la cantidad de potencia reflejada, mientras que la fase indica dónde a lo largo de la línea de transmisión se produce la impedancia mínima o máxima.

Un parámetro importante derivado de la Gráfico Smith es el VSWR, leído de los círculos constantes VSWR que concéntricos alrededor del centro de la gráfica. Un VSWR bajo (cerca a 1:1) indica un buen partido, mientras que un VSWR alto (≥2:1) significa reflexiones significativas. En la práctica, las especificaciones de aislamiento a menudo requieren VSWR mejor que 1.5:1 en cada puerto.

Evaluación de la aislamiento del sistema RF

Definición de la aislamiento en sistemas RF

La solución es la medida de lo bien que un sistema RF impide que las señales se escapen entre diferentes canales, puertos o componentes. Se expresa generalmente en decibeles (dB) como la relación de la potencia inyectada en un puerto a la potencia detectada en otro puerto. El aislamiento alto es crítico en los dúplex, los desplegadores, los arrays escalonados, y los sistemas MIMO donde se debe minimizar la interferencia entre cadenas adyacentes.

En muchos sistemas, el aislamiento se degrada por descomposición de impedancia en los puertos de filtros, amplificadores o alimentaciones de antena. Cuando un puerto se desajusta, parte de la potencia de incidente se refleja en lugar de absorber o transmitir. Eso refleja la energía puede entonces unirse a otras rutas del sistema mediante radiación o conducción, creando efectivamente una ruta de señal indirecta que reduce la separación del canal global.

Usando el Gráfico Smith para diagnosticar problemas de aislamiento

Para utilizar el Gráfico Smith para la evaluación del aislamiento, comience midiendo los S-parameters del sistema, especialmente la pérdida de retorno (S11, S22, etc.) en cada puerto. Parcela el impedancia medido en el gráfico. Puntos lejos del centro indican pérdida de retorno deficiente y altas reflexiones. Por ejemplo, si el puerto 1 de un filtro muestra una impedancia de 0,5 - j0.3 (normalizado), este puerto d corresponde a una ruta de reflexión coeficiente

Además, el Gráfico Smith puede ayudar a detectar estructuras resonantes que causan degradación del aislamiento. Cuando un punto en el gráfico gira alrededor de un círculo de resistencia constante como cambios de frecuencia, indica un circuito resonante o efecto de línea de transmisión que puede estar causando un desajuste agudo en una frecuencia específica. Impedancia de la banda de tracción estrecha en el gráfico (un rastro de barrido de frecuencia) muestra si el desajuste es de banda estrecha o de banda ancha.

Interpretar las parcelas de impedancia para la aislamiento

Más allá de las mediciones de un solo puerto, el Smith Chart puede ser utilizado para analizar el acoplamiento entre puertos. Para dispositivos de dos puertos, el impedancia visto en un puerto puede ser influenciado por la terminación en el otro puerto. Al trazar el impedancia de entrada del puerto 1 mientras el puerto 2 se termina en varias cargas, los ingenieros pueden visualizar cómo los cambios de carga afectan el desajuste y por lo tanto el aislamiento.

Para formalizar el proceso, trazar la impedancia de cada puerto en un solo Gráfico Smith. Identificar el punto más distante del centro. Ese puerto es el principal sospechoso para causar problemas de aislamiento. Luego, investigar si una red de emparejamiento puede traer esa impedancia al centro. Las topologías comunes de juego incluyen un L-network, Pi-network, o transformador de línea de transmisión.

Reducir el Crosstalk mediante el análisis de la impedancia

Comprender los mecanismos de cruzado

Crosstalk es el acoplamiento no deseado de señales de un canal a otro. Puede ocurrir a través de caminos capacitivos, inductivos o conductivos. En diseños de RF densos -como en una placa de circuito impreso con múltiples transceptores- rastreos cerca de la energía puede combinar incluso cuando se acopla bien. Sin embargo, los desajustes de onda de impedancia exacerban el crosstalk porque las señales reflejadas viajan de manera eficiente hacia la transmisión de la línea

Otro mecanismo es a través de caminos comunes de impedancia, como un plano de tierra compartido o red de distribución de energía. Si una señal de alta corriente en un canal causa una caída de tensión en el suelo, que la perturbación puede modular la señal en otro canal. Mientras que el solo Smith Chart no puede modelar directamente tal acoplamiento conductivo, ayuda a identificar puertos desajustados que enviarán grandes corrientes reflejadas de nuevo a través del sistema de tierra, empeorando el puerto de impedance común.

Smith Chart Approaches to Minimize Coupling

Para abordar el crosstalk usando el Smith Chart, primero caracterizar la impedancia de cada línea de transmisión o puerto sobre el rango de frecuencias de interés. Una línea que exhibe un VSWR alto (por ejemplo, √2:1) tendrá los nodos de voltaje elevados espaciados cada longitud de media onda. Estos nodos de tensión son fuentes potenciales de acoplamiento capacitivo a las líneas adyacentes.

En sistemas multicanal, el crosstalk entre dos puertos puede ser evaluado midiendo S21 o S12 mientras que varia el partido en la fuente o la carga. El bloqueo de la impedancia fuente en el Smith Chart para diferentes condiciones de coincidencia revela la impedancia que minimiza la fuga. A veces, la inadecuación intencional de una fuente a un determinado valor reactiva puede causar interferencia destructiva en el puerto de carga, reduciendo el rechazo de la técnica conocido

Otro enfoque es utilizar el Gráfico Smith para diseñar aisladores o conductores de ferrita que proporcionan un alto aislamiento y bajo crosstalk en una dirección. Mientras que el diseño real de estos componentes es complejo, el ingeniero puede utilizar el gráfico para verificar el emparejamiento de impedancia en cada puerto del aislador. Típicamente, un circulador de tres puertos debe presentar un buen partido a todos los centros para lograr un aislamiento inverso alto.

Pasos prácticos para utilizar el Gráfico Smith en la optimización del sistema

Técnicas de medición

El primer paso en utilizar el Gráfico Smith para el aislamiento y la mejora de crosstalk es la medición precisa. Utilice un analizador de red vectorial (VNA) para medir los parámetros S sobre la banda de frecuencia. Convierta los datos de impedancia compleja medidos a un formato que se puede trazar en un Gráfico Smith, ya sea manualmente o usando software. Para el análisis manual, imprima una cuadrícula de carga Smith y complique los puntos de impedancia utilizando un software de referencia.

Al evaluar el aislamiento, mida el parámetro S21 entre dos puertos mientras que los otros puertos se terminan con cargas igualadas. Luego, reemplace una de las cargas con un desprendimiento (por ejemplo, abierto o corto) y observe el cambio en S21. Llegue la impedancia del puerto perturbado en el Carrito Smith para ver qué tan lejos se ha desplazado del centro.

Herramientas de software

[LT:0]Keysight PathWave ADS permite la importación de S-parameters medidos e incluye una utilidad de Smith Chart para la sintonización manual de redes de conexión.

Cuando se utilizan herramientas de simulación, es importante incluir elementos parasitarios, como por inductancia, capacitancia de pad y acoplamiento entre trazas, porque estos pueden desviar la impedancia del ideal. La Gráfico Smith ayuda a identificar efectos parasitarios mostrando cómo la impedancia medida se desvía del diseño previsto. Por ejemplo, un condensador destinado al terreno puede tener una frecuencia de auto-resonancia corto; en el Gráfico Smith

Combinación con otros métodos de análisis

El gráfico de nivel de flexión es una herramienta potente, pero no es una solución completa. Combinar con la reflectometría de dominio del tiempo (TDR) para localizar las discontinuidades de impedancia a lo largo de una línea de transmisión, o con el análisis de diagrama de ojos para señales digitales.Para el aislamiento y travesura, también considerar la simulación electromagnética del diseño para entender los mecanismos de acoplamiento que el Íntil de .

Consideraciones avanzadas

Ancha contra la optimización de banda estrecha

Las redes de aislamiento de la banda de carga son inherentemente estrechas porque la transformación de la impedancia es de frecuencia. Una red que coincide perfectamente con una frecuencia se desviará a otras frecuencias. Para el aislamiento de banda ancha y la mejora de la trama cruzada, los ingenieros deben considerar redes de acoplamiento de múltiples secciones, como Chebyshev o transformadores de imprevisto máxima.

Impacto de los elementos parasitarios

El diseño de la impedancia de la caja de seguridad de la banda de la serie de la serie de la inducción de la ΩH, es un modelo de inducción de la serie de la inducción de la Ω, que permite la inducción de la inducción de la inducción de la inducción de la inducción de la serie de la inducción de la inducción de la inducción

La minimización del crosstalk también requiere un diseño cuidadoso para reducir el acoplamiento mutuo, pero la Smith Chart puede ayudar a identificar frecuencias donde el diseño se vuelve problemático. Por ejemplo, si una resonancia entre la capacitancia parasitaria y la inductancia crea un punto común de alta impedancia, la Smith Chart mostrará un cambio de impedancia repentino en esa resonancia.

Conclusión

El método de la banda ancha Smith [Flejo] permite la detección rápida de los descomunicadores que degradan el aislamiento y pueden conducir a un acoplamiento no deseado. Mediante la medición sistemática de las impedancias portuarias, trama de las redes de alineación, los ingenieros pueden mejorar drásticamente el VSWR, reducir las reflexiones y mejorar la separación de canales.