האתגר של הפרדה תדירות

מערכות תקשורת מודרניות מסתמכות יותר ויותר על הפעלה במקביל על להקות תדר שונות.בין אם זה & #8217; תחנת בסיס סלולרית טיפול 4G ו-5G, מסוף לווייני המקבל ומעביר על להקות שונות, או רדיו מוגדר תוכנה המכסה ספקטרום רחב, היכולת לשתף באופן נקי או לשלב אותות היא קריטית.

עיצוב רשתות כאלה אינו טריוויאלי.הפילטרים בתוך דיפלקסר או דופלקסר חייבים להציג קצוות להקה חדים, אובדן כניסה נמוך, בידוד גבוה, ואימפולסים טובים המתאימים בכל הנמלים.אחד הכלים האלגנטיים והמתמשך ביותר להתמודדות עם אתגרים מזחלות אלה הוא התרשים הראשוניים של פיליפ ה סמית' בשנת 1939, זה נשאר חיוני עבור מהנדסי RF אשר צריכים כדי לייעל את החלקים המרשימים של עיצוב זה הוא התרשים.

סמית' שארטר

תרשים סמית הוא חלקת הקוטב של השתקפות coefficient (gamma) overlaid עם אימפולסים רגילים והכרה לתאם קואורדינטות. כל נקודה בתרשים מייצגת שילוב ייחודי של התנגדות ותגובה (או התנהגות ורגישות) תרשים & #8217; הנכס המרכזי הוא כי כל שינוי אימפולסיבי (כגון הוספת סדרה בחינוך או פיגור) נראה כמו מהנדסי עיצוב מנבאים או תכנות.

עבור עבודה דיפלקסר ודיפלקסר, תרשים סמית הוא בעל ערך במיוחד משום שהוא מראה כיצד אימפולס משתנה עם תדירות. סעיף מסנן שנראה כמו התאמה מושלמת 50-ohm בתדירות המרכז שלה עשוי להציג מכשול שונה מאוד בקצה של פס המעבר או בפס עצירה. על ידי גיבוש עקבות החבוי של מדמי סינון בודדים או רשתות מסנן שלמות, המעצב יכול לזהות איפה הם יכולים להתאים את מה הם צעדים נכונים.

מקור: A מקיפה לתאוריה של סמית', ומזימה זמינה ב-FLT:0Microwaves101FLT:1.

אימפולס והשתקפות Coefficient

ההשתקפות coefficient Γ מוגדר כיחס של גל המתח המשקף אל גל המתח של האירוע.זה מספר מורכב.הסמית 'הרשים נורמטיביים על ידי המערכת & #8217; של אימפולס אופייני (בדרך כלל 50 הומס) משחק מושלם נותן ו #915; = 0, אשר מזימות במרכז. a Openעיגולים מימין, קצר כדי להבין את המעגלים הקדמיים הקדמיים הקדמיים הקדמיים.

דיפלקסר ואדריכלות דו-צדדית

לפני החלת תרשים סמית, זה עוזר לזכור את המבנה האופייני של diplexer. A diplexer מורכב נמל משותף ושני נמלים ספציפיים ללהקה.הנמל המשותף מחובר לאנטנה; נמל 1 עשוי לסנן להקה תדר נמוך יותר, נמל 2 להקה גבוהה יותר.בתוך, שני מסננים של פסים מקובצים מחוברים בצומת המשותף שלהם חייב להיות מותאם לאנטנה של להקת תדר נמוך יותר, בעוד ש- 50 גרם) או מפוספסים אחרים לעבור מפוספסים אחרים.

דופלקסר הוא מקרה מיוחד של דיפלקסר שבו שני הערוצים מוקדשים לשדר ולקבל בו זמנית.דרישות הבידוד הן בדרך כלל הרבה יותר קפדניות - 80 dB או יותר - כדי למנוע את העברת כוח גבוה מ desensitizing המקלט הרגיש.דפלקסים משתמשים לעתים קרובות resonators cavity או מסננים coaxial קרמיקה, אבל מתודולוגיה עיצוב באמצעות תרשים סמית 'עדיין אותו הדבר.

שימוש בטבלת סמית' על אי התאמה ב דיפלקסרס

התאמת אימפולס הוא מרכזי לביצועים דיפלקסיים.בצומת המשותף, שני מזהמים מסנן הם ביעילות במקביל. עבור הדחף הכולל להיות 50 הומס, כל מסנן חייב להציג ערך מסוים אימפולסיבית בתדרים שבהם מסנן השני פעיל.זה המקום שבו התרשים סמית 'זרח.

עיצוב רשתות Matching

בדרך כלל, כל מסנן מיועד באופן אינדיבידואלי כדי להיות בעל 50-ohm אימפולס בפס המעבר שלו.עם זאת, כאשר בשילוב, האינטראקציה בין מסננים עלולה לגרום להטות אימפולסיביות. תרשים סמית' עוזר למעצב להוסיף אלמנטים טרנספורמציה בלתי מאולתר - כגון קטעי קו שידור או רשתות L-C מפולגת - בין הצומת המשותף וכל מסנן.על ידי גיבוש המסנן את המסננים ואת המטרה הרצויה, יכול לקבוע את אורך חשמלי הנדרש של הרשת.

לדוגמה, נניח כי מסנן פס נמוך מראה מכשול של 25 + j10 הומס בתדירות מרכז פס העליון. כי עכבות צריך להיות משתנה למניעה גבוהה (העברת מעגל פתוח) כך שהוא לא לטעון את מסנן פס העליון-band. על תרשים סמית ', זה אומר לרקב את הנקודה לכיוון הנכון (התנגדות גבוהה) באמצעות קו של אורך מתאים קריאה ישירות על הסקאלה.

Stub Tuning

טכניקה נפוצה היא להשתמש בנקודת פתיחה או קצר-circuit בצומת המשותף כדי לבטל את החלק הפעיל של החסימה המסנן.אורך ה- ההרחבה והמיקום נקבעים על ידי ציור מעגלים מתמידים ומציאת הנקודה שבה ההסתה הכוללת הופכת אמיתית ושווה ערך הרצוי (למשל, 0.02 עבור מערכת 50-ohm).

משאבים חיצוניים: עבור צלילה עמוקה יותר על רצף, ראה:0 (הראשונה ל-)התנחמה של קפה סמית' של ראטוויזייט 1

עיצוב פילטרים עם הטבלה סמית'

את מסננים הפסים עצמם ניתן לתכנן באמצעות תרשים סמית', בעוד תוכנה מודרנית מתעדת הרבה מזה, הבנת השיטה הגרפית הבסיסית היא בלתי נסבלת לפתרון בעיות ואופטימיזציה.

המונחים: lumped Element filter

בתדרים נמוכים יותר (בדרך כלל מתחת לכמה מאות MHz), דיפלקסרים משתמשים לעתים קרובות ברכיבים L ו- C. המעצב מתחיל על ידי ציון תדירות המרכז, רוחב פס, ואובדן ההכנסה.הטופולוגיה המסנן (למשל, Butterworth או Chebyshev Response) מניבה קבוצה של ערכים אימפולסיביים אידיאליים בכל תוקף מחדש.

המונחים: root Filters

בתדרי מיקרוגל (above 1 GHz), קטעי קו השידור להחליף מרכיבים מלוטשים.פילטרים בנויים לעתים קרובות באמצעות קווים משניים, resonators פתוח, או מבנים ממריצים מקודמים.הסמית מדגימה את העיצוב של אלמנטים אלה.לדוגמה, גל רבע-גל נדרש - מתקן משותף של פיזור - מיוצג כ-180 מעלות סביב מרכז ה-X2 אינו מוגדר על ידי סמן-הת הפעלה קבועה של ה-הת ה- Z.

צעדים מעשיים בעיצוב מבוסס על דיפלקסר

בואו נלך דרך זרימת עיצוב ריאלית שמהנדס RF יכול לעקוב.

  • (FLT:0)Define theלהקות.FLT:1 Assume a diplexer פיצולting 700-800 MHz (Band A) ו 1800-1900 MHz (Band B).הנמל המשותף חייב להיות תואם ל 50 אומס על פני שתי הלהקות.
  • (FLT:0)Design Individual filtersure.FLT:1 באמצעות סינתזה מסונן קונבנציונלי (למשל, תורת resonator המשולב), ליצור מסנן 5pole Chebyshev עבור כל להקה עם 0.5 dB ripple ו- רוחב פס מתאים. Simulate כל מסנן לבד כדי להשיג את האימפולס שלו מול תדירות הייצוא S-פרמטרים.
  • (FLT:0)Plot על תרשים סמית '.FLT:1 מעליו את העכבות של מסנן A ופילטר B על אותו תרשים סמית ' (הרגיל ל 50 הומס) משקיף כי ב 700-800 MHz, מסנן A עיגולים סביב 50 הומס, בעוד מסנן B פגום הוא רחוק (השתקפות גבוהה).
  • (FLT:0) בידוד צ'אק (Check) 1 (FLT:1) עבור דיפלקסר, ההשתקפות של מסנן אחד בפס המעבר של השני יכול להשפיל אובדן כניסה.ה תרשים סמית מראה את האימפולס שכל מסנן מציג את השני.
  • (FLT:0) Insert תואם רשת.FLT:1 נניח ב 1900 MHz, מסנן A מציג מכשול של 5 + J30 הומס (הנורמלי ל 0.1 + J0.6) ההתנגדות הנמוכה הזו תספוג כוח מהסימן Bept. על תרשים סמית ', לצייר מעגל התנהגות קבוע דרך הנקודה 0 +0.6.
  • <חזק>Simulate משולב רשת. לאחר הוספת גמגמים או חלקי גל רבע-רבע, סימולציה של diplexer המלא. Check S11 (נמל משותף חוזר הפסד), S21 (אובדן חיבור פס), S31 (אובדן להקות אחר), ו-S23 (הסתה בין נמלים).הסמית' משמש שוב כדי לאמת כי החסימה המשותפת נשארת בתוך מעגל של VSW
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תהליך זה אינו תרגיל חד פעמי. בפועל, כמה מסלולים נדרשים כדי להתאים סובלנות ייצור ואפקטי טמפרטורה. תרשים סמית' עוזר מהנדס להישאר על המסלול מבלי לאבד במכוני אימפולס מורכבים.

כלי סימבול ואופטימיזציה

בעוד תרשים סמית ידני הוא מצוין עבור עיצוב מושגי ופתרון בעיות, תוכנת RF מודרנית משלבת אותו בצורה חלקה. כלים כמו Keysight ADS, Ansys HFSS, או חבילות קוד פתוח (למשל, QucsStudio) מאפשרים למשתמש להתפרש או לדמות S-paras על תרשים סמית 'מוטבע להוסיף אלמנטים של גרור-andd התוכנה באופן אוטומטי את הגרסאות כמו שינוי מסובייקט.

גם כאשר משתמשים בתוכנה, הבנת תרשים סמית' נותרה חיונית.זה מונע מהמעצב לבצע החלטות המפרות מגבלות בסיסיות (למשל, ניסיון להתאים התנגדות נמוכה מאוד עם אינטגרטור סדרה אחת יכול להוביל לאורכו לא מעשי) התרשים גם עוזר בפירוש תוצאות סימולציה: עקומה ספירלה לעתים קרובות מצביעה על התחדשות טפילית או חיבור גרוע.

משאבים חיצוניים: עבור דוגמאות של שימוש מבוסס תוכנה סמית ' תרשים בעיצוב מסנן, מתייחס להערות היישום של FPLT:0.

שיקולים מתקדמים ל-Words

דוקטרינים כופים דרישות מחמירות יותר על בידוד ובקרת כוח.השיטה של סמית' משתרעת על מקרים אלה, אך עם מורכבות נוספת. עבור בידוד גבוה, resonators מסודרים לעתים קרובות בתצורה "מאוזנת" שבו השידור ומקבלים מסננים מבטלים את האימפולס של השני בנמל המשותף. ביטול זה גלוי על תרשים סמית 'ישומי כי שני עקבות מאולתרים שהם 180 מעלות של שלב זה חייב להבטיח כי מערכת יחסים זו מחזיקה רוחב פס רוחב פס.

טכניקה מתקדמת נוספת היא השימוש של מבולבלים ממאכלים, שבו קו שידור מאניפל מחבר את המסננים במקום צומת פשוט.אורך המרובים ואת נקודות הברז ממוטבים באמצעות התרשים סמית כדי להשיג טעינה אחידה. כל מסנן מופיע כעומס מורכב בנקודה החיבור שלו; המניפולמוס משנה את העומסים האלה כך שהאימפולס המורכב הוא 50 הומס.

מקור: Applied Treatment of Manifold הפיכה מופיע ב-FLT:0 (IEEE מיקרוגל MagazineigrFLT:1 article FLT:2) "עיצוב של דיפלקסר באמצעות גישה מנדיפלת" (ראה פרק 3)

מסקנה

תרשים סמית הוא הרבה יותר מאשר חפץ היסטורי; הוא נשאר כלי חזק ואינטואיטיבי לתכנון של דיפלקסים ודופלקסרים. על ידי מתן מפה חזותית של שינויים אימפולסיבית, זה מאפשר מהנדסים במהירות להתאים רשתות, לאמת אינטראקציות, אופטימיזציה ביצועים. מהרעיון הראשוני לכוונון סופי, תרשים סמית' מקטין את עבודת הניחושים ומזרז את מחזור הפיתוח שלו.