Проблема частотного разделения

Современные системы связи все больше полагаются на одновременную работу в нескольких частотных диапазонах. Будь то сотовая базовая станция, обрабатывающая 4G и 5G, спутниковый терминал, принимающий и передающий на разных диапазонах, или программно-определяемое радио, охватывающее широкий спектр, способность четко отделять или комбинировать сигналы имеет решающее значение. Диплексоры и дуплексоры являются пассивными сетями, которые делают это возможным. Диплексор направляет сигналы на основе частоты, позволяя одной антенне обслуживать две разные полосы. Дуплексор идет дальше, позволяя приемопередатчику передавать и принимать в то же время на разных частотах при совместном использовании одной и той же антенны. Без этих устройств соседние каналы будут мешать, чувствительность будет ухудшаться, и общая производительность системы будет разрушаться.

Проектирование таких сетей не тривиально. Фильтры в диплексере или дуплексере должны демонстрировать острые края полосы, низкую потерю вставки, высокую изоляцию и хорошее соответствие импедансу во всех портах. Одним из самых элегантных и прочных инструментов для решения этих проблем импеданса является диаграмма Смита. Впервые представленная Филиппом Х. Смитом в 1939 году, эта графическая помощь остается необходимой для инженеров РФ, которым необходимо визуализировать сложное импеданс, проектировать соответствующие сети и оптимизировать секции фильтров. В этой статье объясняется, как диаграмма Смита применяется к практическому дизайну диплексоров и дуплексоров, от начальных участков импеданса до окончательной проверки сети.

Смит Чарт Основы

График Смита — это полярный график коэффициента отражения (гамма), наложенного нормализованными координатами импеданса и допуска. Каждая точка на диаграмме представляет собой уникальную комбинацию сопротивления и реактивности (или проводимости и восприимчивости). Ключевое свойство диаграммы & #8217 заключается в том, что любое пассивное преобразование импеданса (например, добавление индуктора серии или шунтирующего заглушка) появляется в виде предсказуемой дуги или вращения. Это позволяет инженерам проектировать соответствующие сети без решения утомительной алгебры.

Для работы диплексора и дуплексора диаграмма Смита особенно ценна, поскольку показывает, как импеданс изменяется с частотой. Секция фильтра, которая выглядит как идеальное 50-омное соответствие на своей центральной частоте, может представлять очень различное импеданс на краю полосы пропускания или в полосе остановки. Нанося следы импеданса отдельных резонаторов фильтра или целых сетей фильтра, дизайнер может определить, где происходят несоответствия и какие корректирующие шаги необходимы.

Внешний ресурс: Полное введение в теорию диаграмм Смита и графики доступно на Microwaves101.

Коэффициент импеданса и отражения

Коэффициент отражения Γ определяется как отношение отраженной волны напряжения к падающей волне напряжения. Это сложное число. График Смита нормализует импеданс системой’s характерного импеданса (обычно 50 Ом.). Идеальное совпадение дает Γ = 0, который выстраивается по центру. Открытая схема выстраивается по графикам справа, короткое замыкание слева. Круги сопротивления и дуги реактивности образуют знакомую сетку. Понимание этой карты является первым шагом к использованию диаграммы для диплексного проектирования.

Диплексорная и дуплексная архитектура

Перед применением диаграммы Смита помогает вспомнить типичную структуру диплексора. Диплексор состоит из общего порта и двух полососпецифичных портов. Общий порт соединен с антенной; порт 1 может фильтровать полосу более низкой частоты, порт 2 - более высокую полосу. Внутри на общем перекрестке соединяются два полосопропускных фильтра. Их объединенное входное импедансное сопротивление должно быть сопоставлено с антенным импедансом (например, 50 Ом) по обеим полосам пропускания, в то время как каждый фильтр представляет высокое импедансное сопротивление (в идеале открытое или короткое) для другой полосы, чтобы избежать потери энергии.

Дуплексор — это особый случай диплексора, где два канала предназначены для передачи и приема одновременно. Требования к изоляции, как правило, намного строже — 80 дБ или более — чтобы предотвратить десенсибилизацию чувствительного приемника передатчиком большой мощности. Дуплексоры часто используют резонаторы полости или керамические коаксиальные фильтры, но методология проектирования с использованием диаграммы Смита остается той же самой.

Использование диаграммы Смита для импедансного сопоставления в диплексерах

Для соответствия импедансу центральное значение имеет производительность диплексора. На общем перекрестке два импеданса фильтра эффективно параллельны. Для общего импеданса 50 Ом каждый фильтр должен представлять определенное значение импеданса на частотах, где другой фильтр активен. Именно здесь сияет диаграмма Смита.

Дизайн совместимых сетей

Как правило, каждый фильтр спроектирован индивидуально, чтобы иметь импеданс 50 Ом в полосе пропускания. Однако при сочетании взаимодействие между фильтрами может вызвать наклон импеданса. График Смита помогает дизайнеру добавлять элементы преобразования импеданса — такие как секции линии передачи или сгустки сетей L-C — между общим переходом и каждым фильтром. Нанося импедансы фильтра и желаемое импеданс-мишень, инженер может определить требуемую электрическую длину и характеристическое импеданс соответствующей сети.

Например, предположим, что фильтр нижней полосы показывает импеданс 25 + j10 Ом на центральной частоте верхней полосы. Это импеданс должен быть преобразован в высокое импеданс (приблизившись к открытой цепи), чтобы он не загружал фильтр верхней полосы. На диаграмме Смита это означает поворот точки вправо (высокое сопротивление) с использованием линии передачи соответствующей длины. Длина читается непосредственно из угловой шкалы на диаграмме.

Тюнинг в ванне

Общим приемом является использование заглушки с открытым замыканием или короткой замыканием на общем перекрестке для отмены реактивной части импеданса фильтра. Длина заглушки и размещение определяются путем рисования кругов постоянной проводимости и нахождения точки, где полное допускание становится чисто реальным и равным желаемому значению (например, 0,02 S для системы 50-ом). График Смита делает этот процесс визуальным и интуитивным.

Внешний ресурс: Для более глубокого погружения на сопоставление с заглушками см. РЧ-график Smith Cafe .

Проектирование секций фильтров с помощью диаграммы Смита

Сами фильтры полосового пропуска могут быть разработаны с использованием диаграммы Смита. В то время как современное программное обеспечение автоматизирует большую часть этого, понимание основного графического метода неоценимо для устранения неполадок и оптимизации.

Фильтры с элементами

Для более низких частот (обычно ниже нескольких сотен МГц) диплексоры часто используют сжатые L и C компоненты. Конструктор начинает с указания центральной частоты, полосы пропускания и потери вставки. Топология фильтра (например, ответ Баттерворта или Чебышева) дает набор идеальных значений импеданса на каждом резонаторе. Диаграмма Смита используется для преобразования этих идеальных значений компонентов в осуществимые значения компонентов, учитывающие паразитов. Путем построения импеданса на входе первого резонатора и затем перемещения по постоянным окружностям сопротивления или постоянной проводимости, соответствующим серии L или шунту C, инженер может проверить, что кумулятивное преобразование соответствует спецификации фильтра.

Распределенные фильтры элементов

На микроволновых частотах (выше 1 ГГц) сегменты линий передачи заменяют слитые компоненты. Фильтры часто строятся с использованием сцепленных линий, резонаторов с открытой заглушкой или структур ступенчатого сопротивления. График Смита упрощает конструкцию этих элементов. Например, четвертьволновый трансформатор — общее устройство, совпадающее с импедансом — представлен в виде поворота на 180 градусов вокруг центра диаграммы Смита. Характеристическое импеданс, требуемый для трансформатора, обнаруживается путем указания, что входное импеданс четвертиволновой линии — Z0^2/Zload. На диаграмме это выглядит как круг константы на 180 градусов. Считывая сопротивление в начальной точке и сопротивление цели, инженер может вычислить требуемое Z0.

Практические шаги в дизайне диплексора на основе диаграмм Смита

Давайте пройдемся по реалистичному потоку проектирования, которому может следовать инженер РФ.

  • Определите полосы. Предположим, что диплексор, расщепляющий 700-800 МГц (диапазон А) и 1800-1900 МГц (диапазон В). Общий порт должен быть сопоставлен с 50 Омами в обеих полосах.
  • Создание индивидуальных фильтров. Используя обычный синтез фильтров (например, сопряженную теорию резонаторов), создать 5-полюсный фильтр Чебышева для каждой полосы с пульсацией 0,5 дБ и соответствующей полосой пропускания.Симулировать каждый фильтр в отдельности для получения импеданса против частоты. Экспорт S-параметров.
  • Плот на диаграмме Смита. Накладывайте импеданс фильтра А и фильтра В на одну и ту же диаграмму Смита (нормализованную до 50 Ом. Заметьте, что при 700–800 МГц импеданс фильтра А окружает около 50 Ом, в то время как импеданс фильтра В находится далеко (высокое отражение). И наоборот, при 1800–1900 МГц фильтр B совпадает, фильтр А обладает высокой отражательной способностью. Обычный переход видит параллельную комбинацию.
  • Проверить изоляцию.] Для диплексора отражение одного фильтра в полосе пропускания другого может ухудшить потерю вставки. На диаграмме Смита показано импеданс, который каждый фильтр представляет другому. Если импеданс недостаточно открыт или короток, должна быть вставлена соответствующая сеть.
  • Вставьте соответствующую сеть. Предположим, что на частоте 1900 МГц фильтр А представляет импеданс 5 + j30 Ом (нормализованный до 0,1 + j0.6. Это низкое сопротивление будет поглощать мощность от сигнала полосы B. На диаграмме Смита нарисуйте круг постоянной проводимости через точку 0,1 + j0.6. Найдите пересечение с кругом постоянного сопротивления, который проходит через точку с открытым замыканием (бесконечное сопротивление). Расстояние вдоль дуги диаграммы дает электрическую длину трансформатора, необходимую для вращения импеданса до высокого сопротивления. Альтернативно, добавьте шунтирующий заглушек, чтобы отменить цепь.
  • Симулировать комбинированную сеть. После добавления соответствующих заглушки или четверти-волновых секций имитировать полный диплексор. Проверить S11 (общая потеря возврата порта), S21 (потеря вставки полосы), S31 (другая потеря вставки полосы) и S23 (изоляция между портами). диаграмма Смита используется снова для проверки того, что общее сопротивление порта остается в пределах VSWR < 1,5 круга в обеих полосах.
  • Итерация. Регулировка длины заглушек или импедансов трансформатора малыми шагами.Карта Смита обеспечивает немедленную визуальную обратную связь — если импеданс удаляется от цели, корректирующее направление очевидно.

Этот процесс не является одноразовым упражнением. На практике для учета производственных допусков и температурных эффектов требуется несколько итераций. График Смита помогает инженеру оставаться на трассе, не теряясь в сложных матрицах импеданса.

Инструменты моделирования и оптимизации

В то время как ручная диаграмма Смита отлично подходит для концептуального проектирования и устранения неполадок, современное программное обеспечение RF интегрирует его плавно. Такие инструменты, как Keysight ADS, Ansys HFSS или пакеты с открытым исходным кодом (например, QucsStudio), позволяют пользователю отображать измеренные или смоделированные S-параметры на встроенной диаграмме Смита и добавлять элементы настройки с перетаскиванием. Программное обеспечение автоматически обновляет кривые импеданса по мере изменения значений компонентов.

Даже при использовании программного обеспечения понимание диаграммы Смита остается важным. Она не позволяет дизайнеру делать выбор, который нарушает фундаментальные ограничения (например, попытка сопоставить очень низкое сопротивление с индуктором одной серии может привести к непрактичной длине). График также помогает в интерпретации результатов моделирования: кривая спирального импеданса часто указывает на паразитический резонанс или плохую связь.

Внешний ресурс: Примеры использования карт Смита на основе программного обеспечения в дизайне фильтров см. в примечаниях к приложениям от Keysight Technologies.

Расширенные соображения о дуплексерах

Дуплексоры предъявляют более строгие требования к изоляции и обработке мощности. Метод диаграммы Смита распространяется на эти случаи, но с дополнительной сложностью. Для высокой изоляции резонаторы часто располагаются в «сбалансированной» конфигурации, где фильтры передачи и приема отменяют сопротивление друг друга в общем порту. Это отмена видна на диаграмме Смита как два следа сопротивления, которые находятся на 180 градусов от фазы. Дизайнер должен обеспечить, чтобы это фазовое соотношение удерживалось над температурой и пропускной способностью.

Еще один усовершенствованный метод - использование диплексоров с многообразной связью, где многообразие линий передачи соединяет фильтры вместо простого соединения. Длина многообразия и точки касания оптимизированы с помощью диаграммы Смита для достижения равномерной нагрузки. Каждый фильтр появляется как сложная нагрузка в точке соединения; многообразие преобразует эти нагрузки так, что составное сопротивление составляет 50 Ом.

Внешний ресурс: Подробная обработка многообразной связи появляется в статье IEEE Microwave Magazine «Дизайн диплексора с использованием многообразного сцепления» (2019).

Заключение

Диаграмма Смита — это гораздо больше, чем исторический артефакт; она остаётся мощным, интуитивно понятным инструментом для проектирования диплексоров и дуплексоров. Предоставляя визуальную карту преобразований импеданса, она позволяет инженерам быстро зачать совпадающие сети, проверять взаимодействия фильтров и оптимизировать производительность. От первоначальной концепции до окончательной настройки диаграмма Смита уменьшает догадки и ускоряет цикл разработки. Освоение её использования — это знак квалифицированного радиочастотного инженера и прямой путь к более надёжным, более высокопроизводительным многодиапазонным системам.