ソフトウェア定義されたラジオ(SDR)システムの開発におけるスミスチャートの使用

スミスチャートは、無線周波数(RF)エンジニアリングで最も永続的なグラフィカルツールの1つでありながら、その関連性は、ソフトウェア定義されたラジオ(SDR)の上昇でのみ成長しました。もともと1930年代にフィリップ・H・スミスによって開発されたこの極端なプロットは、複雑なインピーダンスと反射のこの極端なプロットは、トランスミッションラインの動作を視覚化し、インピーダンスマッチングを阻害する直感的な方法を提供します。SDRシステムでは、再構成とワイドバンドの動作が不可欠であるSDRシステムは、SDRシステムでは、SDRシステムと実際の設計と実際の設計を実際に使用しているかを分析し、SDRと実際の設計から実際の設計を最適化する方法を分析します。

スミスチャートの基礎

SDR固有のアプリケーションに潜入する前に、Smithチャートがどのようなものであるかを理解することが重要です。チャートは、正規化インピーダンス座標に複雑な反射係数()のマッピングです。反射係数は、インシデント波の量がインピーダンスの不一致による返還をどのように表しているかを説明します。Smithチャートでは、すべての点は、特徴的なインピーダンス(R + jX)に正規化され、SDRシステムでは50オームが通常どおりに発現します。

主変数 視覚化される

スミスチャートは、複数の重要なRFパラメータを同時に表示します。

  • []インピーダンス(Z):[定常抵抗と定常性円として表示します。
  • ]反射係数([) 直角および角は直接極極格子から読みます。
  • 電圧スタンディング波比(VSWR):[]] チャート中央からの距離から派生。
  • リターンロス:]] dBの限界に関連する。

これらの値をプロットすることで、エンジニアはすぐに不一致と設計の是正ネットワークを評価することができます。より深い数学的基礎については、Wikipedia[]]のスミチャートエントリを参照してください]。

なぜSDR開発におけるSDRのグラフのマッター

ソフトウェア定義された無線システムは、複数の周波数と変調機構をサポートする再構成可能なハードウェアとデジタル信号処理に依存しています。RFフロントエンドには、アンテナ、フィルタ、アンプ、ミキサーを含む、低損失と最小限の反射を維持しながら、幅広い周波数範囲を処理する必要があります。 スミスチャートは、三つの主な理由で不可欠です。

  1. ワイドバンドインピーダンスマッチング:[ SDRは、多くの場合、何百ものメガヘルツを経由して動作する; マッチングネットワークは、複数のバンドを同時にカバーするように設計する必要があります。
  2. []リアルタイムチューニング:[モダンSDRのインピーダンスコントローラは、Smithチャートを使用して、周波数変化として、フライでのマッチングネットワークを調整します。
  3. [コンポーネント選択とサイジング:[]]] チャートを使用してコンポーネントの値変更をシミュレートすると、プロトタイプの反復が軽減されます。

周波数アジャイルシステムのためのインピーダンスマッチング

従来の無線では、インピーダンスマッチングネットワークは単一のバンドのために固定されています。 SDRのフロントエンドは、しかし、1 MHzから6 GHz以上の効率を維持しなければなりません。 スミスチャートは、エンジニアが関心のあらゆる周波数にわたってアンテナのインピーダンスをプロットし、その範囲全体にわたって許容マッチするネットワークを設計することができます。 たとえば、広帯域のアンテナは、インピーダンスポイントのスパイラルをチャートに示す可能性があります。 簡単なL-net-rejectを追加することにより、NA-R-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-S-N-N-N-S-N-N-N-N-N-N-N-N-S-N-N-N-N-N-N-N-S-S-N-N-N-S-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-N-S-S-S-N-S-S-N-N-S-N-N-N-N-

実世界例:SDRアンテナチューナー

多くの商用SDRには、インピーダンスを測定し、コンデンサーとインダクタを調整する自動アンテナチューナーが含まれています。 チューナーの制御アルゴリズムは、50オームセンターに向かってスミスチャート上のインピーダンスポイントを効果的に移動します。 チャートは、明確なフィードバックループを提供します。インピーダンスがVSWRサークル(例えば1.5:1)外に移動すると、コントローラはそれを戻すためにコンポーネント値を変更します。 このクローズドループチューニングは、Smithsのチャートが完全なグラフィック表現を示すためにのみ可能です。

デザインフェーズのスミチャートを使用する

SDR開発中、Keysight ADS、AWRマイクロウェーブオフィス、またはオープンソースのQucsなどのシミュレーションツールは、Smithチャートの表示を組み込んでいます。 これらのツールは、エンジニアが次のようになります。

  • コンポーネントのSパラメータをプロットし、周波数上のインピーダンスのバリエーションを参照してください。
  • チャートにシリーズやシャウント要素を追加することでマッチングネットワークを設計します。
  • 感度分析を実行して、許容が一致品質にどのように影響するかを確認します。

ステップバイステップでマッチングネットワークのステップを設計

2.4GHz SDR受信機のフロントエンドの一般的なワークフローは以下のようなものがあります。

  1. 2.45 GHz でアンテナ インピーダンスを測定またはシミュレートし、30 + j15 オームを言います。
  2. 50-ohm正規化のスミスチャートにこのポイントをプロットします。
  3. 目的のインピーダンスを決定する:50 + j0オーム(中央)。
  4. マッチングネットワークトポロジー(例えば、ハントインダクタとシリーズコンデンサのLネットワーク)を選択します。
  5. チャートを使用して、一定の導電円に沿って、シャント要素を移動し、その後、センターに到達するまで、シリーズ要素と一定の抵抗円に沿って移動します。
  6. 必要なコンポーネントの値をチャートから読み、正規化シフトから計算します。

このプロセスは、複数の潜在的なソリューションが存在する場合に、同時式を解決するよりもはるかに高速です。 詳細なチュートリアルでは、]を参照してください。 スミスチャートとSパラメータ測定のアナログデバイスガイド。

SDRの動的インピーダンスマッチング

SDRシステムにおけるS Smithチャートの最も先進的な使用の1つは、動的に再構成可能なマッチングネットワークの開発にあります。 これらのネットワークは、Varactorダイオード、PINダイオード、またはMEMSスイッチを使用して、静電容量とインダクタンスをリアルタイムで変更します。 スミスチャートは、チューニングアルゴリズムの「制御面」になります。

  • [Look-upテーブル(LUT):[]]さまざまな開始点から中心に移動するコンポーネント値の事前入力セット。 LUTはSmithチャートの軌跡から派生しています。
  • 勾配降下:] 定期的に反射係数(例えば、方向カプラーとAD8302ゲイン/相検出器を介して)を測定し、コンポーネントを調節して、現在の点から中央までのSmithチャートの距離を最小限に抑えます。
  • 機械学習:]] スミスチャートのデータで訓練された神経ネットワークは、反復的な検索なしで特定の周波数とインピーダンスに最適なマッチング状態を予測できます。

ケーススタディ:ワイドバンドVHF / UHF SDR

ミリオンスSDRは30〜512MHzをカバーする、フィールドプログラム可能なゲート配列(FPGA)によって制御された調整可能なpi-networkを使用するかもしれません。 FPGAは、反射した電力を読み取り、従順な速度と相を計算し、正しいコンデンサーと誘導器の設定を選択するためのSmisチャートベースのアルゴリズムを参照します。 マッチングサイクル全体がマイクロ秒で完了し、ラジオが電力損失なしで周波数をホップすることを可能にします。 この機能は、Copの周波数とCopの動作の動作が重要な機能です。 この機能は、Copの動作が、Copの動作とCopの動作を拡張する機能が不可欠です。

スミスチャートでのシミュレーションとテスト

現代のSDR開発は、SDRのRFポートに接続し、周波数を横断してフロントエンドのインピーダンスを観察する。 シミュレーションおよび測定されたSSDチャートの軌跡の間のパネルは、VNAをSDRのRFポートに接続し、周波数間のフロントエンドのインピーダンスを観察する。 シミュレーションおよび測定されたSmithチャートの軌跡は、パラシティック、低接地、またはコンポーネントの許容などの問題を示しています。

通訳 スミスチャート 測定

SDR開発者にとって、典型的な観察には以下が含まれます。

  • 周波数増加による移動性回転:[ 送信線の長さ効果を示す; より短い痕跡や分岐要素と補正します。
  • []チャートの端付近にループ:[] 共鳴や不安定性を示唆する; 多くの場合、抵抗器やフェライトビーズを湿らせることによって修正.
  • []:[]の複数のバンドを横断して、インピーダンスは複数の地域でクラスターする可能性があります。 単一のマッチングネットワークは、スワイプしないようにし、銀行や調整可能な要素を切り替えるのを促す可能性があります。

VNAベースのSMITチャート分析のさらなる読み込みについては、インピーダンス測定の[]]キーサイトアプリケーションノートを参照してください。

SDR コンテキストの利点と制限

スミスチャートはSDR開発の明確な利点を提供しています:

  • スピード:] グラフィックソリューションは、複雑な数学よりもはるかに高速です。
  • 直感:]]] 視覚的フィードバックは、コンポーネントの変化の影響を把握するのに役立ちます。
  • 柔軟性:]] 両方の狭い帯と広帯域のマッチングのための作品。
  • 統合:] 簡単に自動テストシステムとリアルタイム制御ループに組み込まれています。

しかし、制限があります。

  • 表示複雑性:]] クラウドチャートはマルチ周波数のスワップを読めにくい場合があります。
  • Accuracy:]] 印刷されたチャートの手動解釈は、コンピュータによって設計された(CAD)計算よりも精度が低い。
  • 周波数依存:[] チャートは1つの周波数でスナップショットです。 複数のオーバーラップスイープは、慎重に分析を必要とします。

これらの欠点にもかかわらず、スミスチャートはRFエンジニアリング教育と実践における標準的なツールを残しています。 SDRデザイナーにとって、計算ツールとチャートを組み合わせることで、両方の世界を最大限に活用できます。

さらなる学習のための外部リソース

SDRシステムにおけるSMITチャートの理解を深めるために探しているエンジニアは、以下を調べることができます。

コンテンツ

スミスチャートはSDRの時代において、obsoleteから遠く離れたところです。 逆に、そのグラフィカルなパワーは、デジタルシミュレーションとリアルタイム制御によって強化され、周波数アジャイル、ワイドバンドRFフロントエンドを開発するための重要なツールとなっています。 手動設計、自動化チューニング、VNAベースのテストで使用されるかどうかにかかわらず、SSDのチャートは、エンジニアがSDRのパフォーマンスに集中するインピーダンスマッチングの問題を視覚化し解決することができます。 SDRテクノロジーが、より高頻度で拡大するにつれて、SDRは、SDRの原則を継続し、より広範な方向に進んでいきます。