שם הסרטון: The Core Dilemma in Band Pass Filter Design

מסנני פסים של Band הם אבני בניין בסיסיות כמעט בכל תדר רדיו (RF), מיקרוגל, מערכת תקשורת.התפקיד העיקרי שלהם הוא להעביר אותות בטווח תדר מוגדר - פס המעבר - בעוד אותות מעצימים מחוץ לטווח זה.בעולם אידיאלי, מסנן יהיה אפס אובדן החדרה (אין אות בהרחבה הנדסית בפס) וסלקטיביות אינסופית (הגלגלים בלתי שפויים בלהקות אלה, הם למעשה, בניגוד לאבחון טכני).

בין אם אתם מתכננים מסנן חזיתי לתחנת בסיס סלולרי, בוחר ערוץ עבור רדיו מוגדר תוכנה, או לפני-מכיר לניתוח ספקטרום, להבין כיצד אובדן שילוב וסלקטיביות אינטראקציה הוא קריטי.We will break down Both Concept, לבדוק כיצד ארכיטקטורות מסננים שונים FLT:0inherentlyFLT 1LT פרמטרים אלה, להציע הדרכה מעשית עבור הבחירה הנכונה עבור היישום הספציפי שלך.

מה זה אובדן הכנסת? A Deeper Look

אובדן הכנס (IL) משווה את ההפחתה בכוח האות כאשר מסנן מוכנס לקו שידור.זה בדרך כלל בא לידי ביטוי ב decibels (dB) והוא מוגדר כ:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר P in הוא הכוח המסופק לטעון ללא המסנן, ו- P out הוא הכוח המסופק לעומס עם המסנן במקום.ערך נמוך יותר הוא טוב יותר: 0 dB פירושו לא הפסד, בעוד 3 dB פירושו חצי הכוח אבד.

  • (FLT:0) הפסדים משמעותיים במוליכים ודיאלקטריים:FLT:1 כל חוט, עקבות, או resonator יש מוליכות סופית. בתדרים גבוהים יותר, אפקט העור מגביר את ההתנגדות, ו substrates דיאלקטריים (כמו FR4 או קרמיקה) מציג פירוק.
  • (ב) אם ההפחתה של הפילטר אינה תואמת את המקור ומנעולים (בדרך כלל 50 גרם), חלק מהאנרגיה משתקפת בחזרה, ומוסיפה להפסד.
  • (FLT:0) אובדן: FLT:1 במסננים פתוחים (למשל, שיער או קובלט) או בתדרים גבוהים מאוד, קרינה אלקטרומגנטית יכולה להתרחש, צמצום כוח המועבר.
  • (FLT:0) שיתוף פעולה לא-אידיאולוגיות: ⁇ 1) במסננים חד-פעמיים, ל- capacitors יש התנגדות שווה לסידרה (ESR) ולמחנכים יש התנגדות סדרה.

אובדן החדר המינימינג הוא חשוב בחזית המקלט כי מסנן הראשון לעתים קרובות קובע את דמות הרעש של המערכת. כל dB של אובדן מוסיף ישירות לרעש, ירידה חדה.

הבנה של בחירה: אמנות ההזרקה

(הופנה מהדף ⁇ ) מתאר את החדות שבה מעבר מסנן מפס לפס העצורים באופן רשמי יותר, הוא מאופיין לעתים קרובות על ידי ה-FLT של המסנן:0shape factorFLT:1, המהווה את היחס של רוחב הפס ברמה גבוהה של הפחתה (למשל, 60 dB) לפס רוחב פס נמוך יותר (למשל, מספר 3B) לסינון נמוך יותר של מסנן גבוה (DV).

בחירה גבוהה פירושה שהתערבות ערוץ צמוד מדוכאת מאוד.זה קריטי בסביבות ספקטרום צפופה כמו רשתות סלולריות, Wi-Fi ותקשורת לווינית, שבו ערוצים ארוזים בחוזקה.לדוגמה, מסנן עם בוחרים עניים עלול להעביר אות חזק קרוב כי מעלים את אות נמוך של המקלט (LNA), גורם עיוות בין-ממדי.

עם זאת,סלקטיביות אינה יכולה להיות מוגברת ללא השלכות.היחסים ביןסלקטיביות ואובדן ההכנסה נשלטים על ידי הגבלת המוצר של בייד: עבור מסנן מסוים טופולוגיה נתונה ומסגרת פס נתונה, יש רצף של (FLT:0inevitable Trade-offFLT:1 בין רול-off-off-off-off-off-off-out-to-down.

הצעת הסחר: למה הם מתחרים

ההחלפה בין אובדן התוספת וסלקטיביות עולה כי השגת תלול רול-off דורשת אלמנטים תגובתיים יותר (capacitors, inducators, או resonators) או רכיבי Q (גורם איכות) גבוה יותר.הגורם Q של מחזר הוא קשור באופן הפוך לאובדן שלו: Q של 100 פירושו reson מאבד 1% של מחזור האנרגיה המאוחסן שלה גבוה יותר עבור דרישות סלולר גבוה יותר עם מקודמות גבוה יותר (אובדר גבוה יותר), ו- Qor נמוך יותר ויותר נמוך יותר ויותר נמוך יותר ויותר).

בואו נבחן את מנגנוני הליבה:

  • (FLT:0) מספר הקטבים: הוספת 1:1 הוספת יותר קטבים מגבירים אתסלקטיביות (הפילטר הופך גבוה יותר) אבל כל קוט נוסף מוסיף אובדן מן החומרים הנגדיים.הפסד טיפוסי של 0.5-1 dB לכל קוט הוא נפוץ במסננים חד פעמיים ב- UHF. Doubling מ 2pole עד עיצוב 4פול עשוי להוסיף הפסד כפול.
  • (FLT:0) פילטרים קו רוחביים: אנדרל 1 (בדרים מיקרוגל, resonators cavity יש גבוה מאוד Q (המכונים) ויכול להשיג בחירה מצוינת עם הפסד נמוך יחסית.אבל הם גדולים ויקרים.conversely, converse-elemented-elemented-elements (למשל, LC על- PCB) יש נמוך (50–200) וגבוהים יותר עבור אובדן כאשר הם בוחרים חסימה.
  • (FLT:0) Passband ripple:FLT:1, מסננים כמו צ'בישבב יש קרוע בפס המעבר, אשר מצמצם את אובדן ההחדרה בכמה תדרים אבל מגביר אותו באחרים.

ה- Trading-off הוא הטוב ביותר חזותי באמצעות ה-FLT:0Fanoure LimitFLT:1, הקובע כי עבור אי התאמה ופס רוחב פס נתון, יש הפסד מינימום של תוספת אפשרית - בחירה גבוהה יותר דורשת רוחב פס צר יותר, אשר דוחף את המינימום הזה גבוה יותר.

מחקר: Butterworth vs. Chebyshev vs. Elliptic

כדי להמחיש את ה- Trading-off, יש לשקול שלושה סוגים קלאסיים של מסנן כל-פול ו-קוטב אפס:

  • (FLT:0) Butterworth (הדירה המקסימלית): עיצוב זה מספק פס שטוח ללא ripple.It יש את ה-Switch-off איטי ביותר עבור הזמנה נתונה, כלומר בחירה נמוכה יותר.הפסד ההכנסה שלו נמוך יחסית כי פס המעבר הוא חלק ואת הקטבים הם להפיץ אפילו באופן שווה עבור איפה עיוות מינימלי של אמפודה נדרש (למשל, מערכות מתון).
  • (ב) [ה]] [ה]בְהִיבְהִיבְהִיבְהִיא]: [ה] [הִנְלֹא] [ה] [הִלְלֹא] [הִלְתָּעָעָה], [לֹלֹא],] יש [ה'] אִתָּעֲלֹלֹלֹאֱלֹהָעֹלֹלֹלֹלֹלֹאֱלֹהָבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְהָבְתּבְתָּבְָּבְהָבְתָּבְּהָבְהָבְתָּבְָּבְָּבְָּבְתָּבְָּבְָּבְָּבְָּבְּהָ
  • (FLT:0) Elliptic (Cauer): FLT:1 השימוש אפסים בפונקציה ההעברה כדי להשיג את ה-Switch התלולה ביותר האפשרי עבור הזמנה נתונה - באופן קיצוניסלקטיביות גבוהה.עם זאת, אפסים גורמים לעצור את פס לעצור את ה-Fript ודורשים נוספים, לעתים קרובות הגדלת רכיב והפסד הכולל של אליפותאלקטי משמשים כאשר דרישות קיצוניות (D2B) אפילו ירידה של 2B2.

כל סוג מייצג נקודה אחרת על עקומת אובדן-האלקטרוניקה.אין ארוחת צהריים חופשית.

גורמים מעשיים המשפיעים על המסחר-Off בעיצובים אמיתיים

מעבר לסוג מסנן, מגבלות בעולם האמיתי משפיעות במידה רבה על מאזן ההכנסה לעומת שיווי המשקל שלסלקטיביות.

תדירות הפעלה

בתדרים נמוכים (below 100 MHz), capacitors ו inductors זמינים עם גבוה Q (למשל, Air-core inducators Q > 200) Selectivity יכול להיות גבוה ללא אובדן יתר.כפי עלייה תדירות בטווח מיקרוגל (1–30 GHz), אלמנטים מבוזרים (טרנס קו גמגמים, cavson Reators) להיות הכרחי.

Q of Components

ה- Q של ה-Resonators הוא הפרמטר החשוב ביותר המקשר אובדן וסלקטיביות.עבור מסנן מסדר שני, אובדן ההכנסה המינימלי בהתחדשות ניתן בערך על ידי:

[01:0]5] ⁇ 10 [1 + Q u / Q l]

כאשר Q u הוא Q של המחודש ו- Q l הוא Q טעון (בקשר רוחב פס) כדי להשיג גמישות גבוהה (אורך רוחב פס רחב) גבוה Q l), היחס Q u / Q l הופך גדול יותר אם Q u הוא קבוע, גדל IL.ה הדרך היחידה להשיג בו זמנית אובדן נמוך וסלקטיביות גבוהה היא להשתמש resonators עם גבוה מאוד ללא עומס - Qericeric (R) עבור מוליכים למחצה (Ricericertator) או ; כלומר: מוליכים למחצה) (Ricericericerdator) (Ricerdator) עבור 100,000 (Ricerticerdator) או מוליכים ביותר (Ricertator) (Ricertial) (Ricerdator) (Ricertator) עבור 100,000) (Ricertator) עבור 100,000 מערכות מוליכים למחצה) (Ricer (Riceratives (Ricial (Riceramtator) עבור 100,000) או ml) עבור 100,000) הם אלה הם אלה הם רק כדי להשיג אובדן נמוך יותר (Ricerativedator) הם רק כדי להשיג במקביל כדי להשיג באותו זמן רב יותר (Ric

פילטר Topology: Lumped, Cavity, SAW, BAW

  • (FLT:0) פילטרים של LC:BuildFLT ( 1 Cost-יעילות, קומפקטי. אופייני IL 1–3 dB עבור 2-4 קוטבים; בחירה מוגבלת על ידי Q (לעתים קרובות 50-150) מתאים לתכנון תת-GHz.
  • <חזק>Surface Acoustic Wave (SAW) מסננים: בחירה גבוהה מאוד (גורמי חתלתול < 1.2) וגודל קטן, אבל אובדן ההכנסה הוא בדרך כלל 2-6 dB. הם משתמשים בחומרים אדזואלקטריים; Q הוא מתון אבל הטכנולוגיה מאפשרת חצאית תלולה מאוד.
  • (FLT:0) פילטרים של גל אקוסטי (BAW):FLT:1 דומים ל SAW אך פועלים בתדרים גבוהים יותר (1-6 GHz) מציעים אפילו חצאיות תלולות יותר והפסד נמוך יותר מאשר SAW בכמה להקות (למשל, 2–3 dB הפסד עם 60B דחייה).
  • (FLT:0Ceramic coaxial או משלב מסננים:FLT) 1 פופולרי בתחנות בסיס.Q של 500-1000, אובדן 1–2 dB עם איזון גבוה.
  • <חזק>Wave guide and cavity filters: Q הגבוה ביותר (10,000-100,000), אובדן נמוך מאוד (<0.5 dB), וסלקטיביות מעולה.אבל גדול ויקר מאוד.

פיתוי והתאמה

ירידה בקלט / קידוד המסכן של הגדלת אובדן ההכנסה עקב ההשתקפות.כאשר עיצוב עבור בחירה גבוהה, אימפולס הקלט של המסנן משתנה במהירות ליד הקצוות של הלהקה. שמירה על התאמה טובה בכל פס הופך קשה, לעתים קרובות דורש רשתות התאמה נוספות שמוספות אובדן.זה מדגיש עוד יותר את המסחר-off: מסנן סלקטיבי מאוד עשוי להציג הבדלים משמעותיים, המוביל כדי להתאים את האובדן כי היתרון של הרשלנות בוחר.

הנחיות עיצוב מעשי והמלצות מימון

מהנדסים חייבים לשקול את החשיבות היחסית של אובדן ההחדרה והסלקטיביות בהתבסס על דרישות הרמה העליונה של המערכת שלהם.ההנחיות הבאות עוזרות לנווט את המתח הזה:

  • (FLT:0)Receiver Front-End (Low Noise Figure is Priority): אובדן הכנס של 1Fishph ישירות מוסיף לרעש. השתמש במסנן עם האובדן הנמוך ביותר שעדיין מספק מספיקסלקטיביות כדי למנוע חוסמי פסים מלשכת LNA. לעתים קרובות מסנן הזמנה שנייה או שלישית עם בחירה מתונה מקובל על Cacading a duaplexing afiler ו- SAplex נוסף עבור מסנן משותף מאוחר יותר.
  • (FLT:0) Transmitter (Power Handling and Efficiency): אובדן ההכנסה גבוה 1:1 פירושו כוח סוללה מבזבז חום. השתמש בכבדות או מסננים קרמיקה עם אובדן נמוך (Q>500) כדי למזער את דרישות הבחירה.
  • (FLT:0) ערוץ Rejection (למשל, להקות סלולריות): מערכות כמו LTE ו-5G NR דורשות דחייה של נושאים סמוכים חזקים. מסנן הזמנה גבוהה (למשל, 6-פול) הוא הכרחי, אבל עלייה זו.
  • (FLT:0Broadband לעומת Narrowband: ההרחבה 1 (למשל, 20% רוחב פס חלקי) יש באופן טבעיסלקטיביות נמוכה יותר כי רצועת המעבר היא רחבה יותר יחסית לפס המעבר.עם זאת, הם יכולים להשיג אובדן כניסה נמוך יותר עבור מסננים Q.Narrowband (למשל, 1% BW) דורשים התחדשות גבוהה מאוד להפסדים חשמליים; לעתים קרובות הם זקוקים לפילטרים או למנוע נזירים.

דוגמה: עיצוב מסנן ISM 2.4 GHz

שקול להקה להעביר מסנן עבור מקלט Wi-Fi 2.4 GHz (2.4-2.4835 GHz, BW 83.5 MHz) המסנן חייב לדחות אותות חזקים מהלהקה 5 GHz ו -2. GHz GHz GHz GHz GHz . גישה טיפוסית היא להשתמש ב- 3pole resonator עם Q-800. זה יוסיף הפסד - dB ו > 40B ב-1.82 GHz ב- 2.7 אינץ ', אם יש צורך GHz גבוה יותר, אם הוא GHz, אם יש צורך GHz GHz .

נושאים מתקדמים: Finite Quality Factor, שלב המשמעת, וקבוצת עיכוב

בעוד ש- Loss-selectivity trade-off הוא הדאגה העיקרית, מדדי ביצועים אחרים מושפעים.סלקטיביות גבוהה לעתים קרובות תוצאות ב-FLT:0nonlinear שלבFLT:1 ו-FLT:2group מעכב וריאציות FLT 3DLT 3P-3 מעבר לפס המעבר.זה יכול לעוות אותות דיגיטליים, מה שגורם להפרעות בין-Straativesualmbol.

יתר על כן, אובדן התוספת משתנה עם תדירות בתוך פס המעבר.ב מסנן צ'בישבייב, הקרע אומר כי אובדן התוספת עשוי להיות 0.5 dB מינימום אבל 1.5 dB בקצה.TheFLT:0averageFLT:1 הפסד משמש לעתים קרובות כמו דמות של ערך, אבל את הגרוע ביותר מקרה שיקולים של מערכת יחסים.

משאבים חיצוניים להבנה טכנית עמוקה יותר

עבור הקוראים המבקשים לצלול עמוק יותר לתוך מתודולוגיות המתמטיקה והעיצוב, אנו ממליצים על המשאבים הבאים:

  • (ב) ⁇ :0Microwaves101: הכנס אובדן ההרחבה:1 , כניסה מקיפה של האנציקלופדיה המסבירה מנגנוני אובדן.
  • (ב) ◄ קפה מסנן: עיצוב TutorialFLT:1 - מבוא מעשי לסנן סוגים ואת העסקאות שלהם.
  • (FLT:0IEEE:סלקטיביות לעומת אובדן הכנס ב- Bandpass FiltersFLT:1 - מסמך קלאסי (מנויים של חקירה) המסדיר את גבול הפאנו לתכנון מסנן.

מסקנה: ביצוע משפט הנדסה נכונה

המסחר בין אובדן התוספת וסלקטיביות אינו החלטה בינארית אלא ספקטרום מתמשך.אין עיצוב מסנן יחיד יכול למקסם את שני הפרמטרים; כל יישום דורש איזון זהה כי חייב לקחת בחשבון עבור מצב רעש מערכת, איכות, גודל, עלות וטווח תדרים פשוטים. על ידי הבנת הגבולות הבסיסיים המוטלים על ידי רכיב Q וסינון סדר, ועל ידי בחירת הטופולוגיה המתאימה (lumped, SAW, BAW, BAW, , טרה, טרה, , , טרה , , , טרה טרה טרה , , , , , , טרה טרה , , , , , , , , , , , , טרה טרה טרה , , , טרה טרה טרה-צדדית , , , , , , , , , , , , , , , , , , טרה-זמנית , פילטר, , , , , , , , , , פילטר, לנטרל את הפחתת פילטר פילטר פחות , ,

לסיכום, תהליך העיצוב צריך תמיד להתחיל עם מפרט ברור של הדחייה מקובלת המינימלית בתדרים מוקדמים ואובדן ההכנסה המקסימלי שניתן להחדיר בפס המעבר.אז, באופן רציונאלי, לבחור סוג מסנן וסדר כי משביע את שני המגבלות בתוך הגבולות הפיזיים של רכיבים זמינים.המסחר הוא בלתי-מחייב, אבל עם הידע הנכון, ניתן לנהל ביעילות.