Основы схемотехники радиочастотных систем. Часть 3

Время чтения: 26 минут

Для электроники, работающей в радиочастотном или СВЧ-диапазоне, требуются иные методы проектирования, чем для электронных конструкций, работающих в низкочастотном диапазоне или при постоянном токе, поскольку:

Узлы радиотехнических устройств, работающие на относительно низкой частоте, обычно с лёгкостью заменяются цифровыми блоками.

Возможности цифровой схемотехники, такие, как синтез частоты и обработка сигналов «в цифре» и другие, прочно вошли в радиочастотную область, и повсеместно используются для увеличения производительности и гибкости функционала передатчиков и приёмников, а также для снижения общей себестоимости готового устройства. Но немало узлов радиочастотных, а в особенности СВЧ-устройств не заменить «цифрой»; они представляют инженерам-схемотехникам наибольшую сложность в проектировании. Для облегчения задачи существует компьютерный подход.

Здесь основными узлами являются: схема согласования (например, ВЧ-трансформатор), смеситель, усилитель радио- (РЧ) и той или иной промежуточной частоты (ПЧ), генератор (гетеродин), а также модулятор/демодулятор (ЦАП/АЦП; смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств»).

В массовых потребительских устройствах, изготавливающихся большими партиями: мобильных телефонах, адаптерах Bluetooth, Wi-Fi и других, все узлы, как правило, выполнены на базе одной микросхемы. Типичный пример — приёмопередатчик (адаптер) Bluetooth. Все функции работы с радиочастотным сигналом (кроме антенны), а также взаимодействие по интерфейсу USB управляемы одной многофункциональной микросхемой. Антенна выполнена отдельно по микрополосковой технологии.

Этот подход оптимален для устройств, выпускающихся от нескольких десятков тысяч до миллионов единиц. Но при выпуске небольшим тиражом стоимость разработки специализированной мультифункциональной микросхемы окажется чрезвычайно высока. Кроме того, зачастую технологически невозможно изготовить её под всевозможные требования, например, когда нужна высокая выходная мощность.

В таких ситуациях радиочастотный тракт частично или целиком выполняется на дискретных элементах. На рисунке ниже представлен умножитель частоты, выделяющий пятую гармонику (810 мегагерц) входящего сигнала 162 мегагерц.

Для любого коммерческого проекта важно создать его и выпустить на рынок раньше остальных. В идеале, первая итерация уже должна быть полностью работоспособна и готова к производству, поскольку любые дальнейшие доработки будут стоить больше денег и задержат время выхода продукта на рынок, тем самым снижая конкурентное преимущество.

Моделирование и симуляция на компьютере помогают быстро разработать и оптимизировать большинство аспектов проекта до того, как будет произведена первая партия. Современные инструменты комплексного компьютерного проектирования очень хороши и с ними легко создать полностью функционирующий проект с первого раза. Основными профессиональными коммерческими системами стали:

Обе среды многофункциональны и поддерживают линейный и нелинейный анализ цепей, моделируя в стационарной и временно́й области, а ещё: детальное электромагнитное моделирование и электромагнитной совместимости (ЭМС).

Автор статьи имел дело как с Eesof EDA, так и с AWR Design Environment и по опыту, последнее ПО, а точнее, его пакет MWO — более лёгкий для изучения студентами и простой для понимания инженерам-электроникам, не имевшим ранее подобного опыта. В дальнейшем в статье он и будет рассматриваться.

В программном обеспечении компаний Keysight и Cadence Design Systems тоже получится проектировать и моделировать работу ВЧ-микросхем. В зависимости от количества и технологии, фактическое производство бывает очень дорогим и доступно только крупнейшим производителям в мире, а в любительских условиях совершенно ни к чему.

Основным применением программных сред становится моделирование и симуляция дискретных ВЧ-схем, выполненных на дорожках печатных плат, служащих волноводвми для таких компонентов, как узлы согласования, фильтры и других, а также с использованием широкодоступных ВЧ-диодов, транзисторов и микросхем.

Придумано немало сред для моделирования. Большинство из них используют линейные модели SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), которые включают все требуемые параметры компонентов.

Для НЧ-схем придумали National Instruments Multisim, Labcenter Proteus и многие другие (смотри статью «ТОП-10 практических советов начинающему разработчику электронных устройств») , но для высокочастотных — инструменты компьютерного моделирования в частотной области гораздо более эффективны с вычислительной точки зрения для анализа стационарного состояния, чем программы на основе SPICE-моделей. Они также позволяют рассматривать дорожки печатной платы как волноводы и способны оценивать искажения интермодуляции, вызванные их близким монтажом.

AWRDE содержит три очень разные по функциональности программных пакета:

AWRDE очень хорош как для ВЧ-схем, так и для низкочастотных, поскольку многие коммерческие ВЧ-компоненты, например, диоды и транзисторы, в этой среде имеют линейные и нелинейные модели. Используемые модели компонентов и методология моделирования процессов позволяют добиться высокой верности результатов, что приводит к отличному соответствию между компьютерным моделированием и реальной работой готового устройства.

Линейные модели рассматривают любые пассивные и активные компоненты как линейные приборы и используют обычные методы анализа цепей для решения уравнений. Моделирование в таком случае выполняется быстро, но не будет учитывать нелинейные процессы, которые возникают в смесителе, генераторе или усилителе высокой частоты. Применение методов оптимизации линейного моделирования схем позволяет получить высокую скорость при рассмотрении процессов, происходящих в РЧ-схемах.

Моделирование цепей с нелинейными моделями выполняется двумя способами. Во-первых, гармонический баланс — частотный анализ стационарного состояния, который использует нелинейные дифференциальные уравнения, а затем — линейные модели для балансировки токов и напряжений для удовлетворения законам Кирхгофа. Пример: моделирование гармоник основной частоты, производимых генератором. Во-вторых, моделирование переходных процессов во временно́й области с использованием SPICE-моделей применимо для анализа нелинейного поведения цепи. Пример: моделирование процесса запуска генератора частоты.

Компьютерное моделирование — это мощный инструмент для грамотного проектирования. Для коммерческих проектов очень важно сначала проверить всё в идеальных условиях электронной модели. А затем удостовериться, что она по-прежнему работает правильно для всех возможных допусков компонентов и условий эксплуатации. Поскольку производство печатной платы, содержащей радиочастотную цепь, недёшево, всегда полезно сначала полностью смоделировать схему.

Тогда обнаружение неадекватного поведения и устранение всех недостатков помогут избежать серийного изготовления изначально обречённого устройства. Но хотя современные инструменты очень хорошо справляются со своей задачей, они не заменят талантливого инженера-электроника с богатым опытом. Талант и опыт позволяют обнаруживать проблемные места почти так же хорошо, как и огромная вычислительная мощность современных компьютеров и многофункциональность программных сред.

Спроектируем в качестве примера фильтр нижних частот (ФНЧ) четвёртого порядка и верхних частот (ФВЧ) со срезом 250 мегагерц и импедансом (волновым сопротивлением) 75 Ом, а затем объединим их, чтобы сформировать диплексер (мультиплексор, объединяющий два входа в один выход) телевизионных антенн диапазонов VHF (метровые волны, МВ) и UHF (дециметровые волны, ДМВ), позволяющий подключить к одному радиочастотному входу телевизора одновременно две антенны.

Коаксиальные кабели для телевизионных антенн, имеют импеданс 75 Ом. Следовательно, импеданса нашего диплексера тоже должен быть 75 Ом. Типовые амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтров и их схемотехника ниже:

Для фильтров Баттерворта расчётные уравнения индуктивности катушек и ёмкости конденсаторов давно хорошо известны и получены реализацией топологии Кауэра для полиномов Баттерворта и используются для составления таблиц их параметров:

, где R – желаемое сопротивление нагрузки (Ом), а Fc — частота среза (Гц). Далее будет показано, как эти уравнения применяются. ФВЧ получается с помощью стандартного преобразования в него ФНЧ, описанного в большинстве учебников по фильтрам: обратное преобразование получается, когда нормализованные значения L и C меняются местами и катушки индуктивности заменяется на конденсаторы, и наоборот.

Уравнения легко ввести в электронную таблицу, например, Microsoft Excel или LibreOffice Calc, чтобы быстро рассчитать номиналы компонентов для фильтров с частотой среза 250 мегагерц:

Теперь вводим эти значения в программу. Открываем пакет Open Microwave Office. Пустой проект будет создан автоматически:

Затем выберем пункт меню Project>Add Schematic>New Schematic и назовём схему «LowPass». Следом перейдём в окно Elements в левом нижнем углу окна Design Environment и выберем Lumped Elements>Capacitor и перетащим этот элемент в схему цепи:

Теперь разместим все остальные конденсаторы и катушки индуктивности в соответствии со схемой фильтра. При размещении компонента щелчок правой кнопкой мыши поворачивает его.

Выбор символа порта на мини-панели инструментов или выбор пункта Draw>Add Port позволяет добавить входные и выходные порты. Пункт Draw>Add Ground позволяет добавить общий проводник. Двойной щелчок левой кнопкой мыши по компоненту или по тексту свойства позволяет ввести требуемый номинал для него. Сделаем это для всех компонентов, взяв данные из таблицы, чтобы получить окончательную схему:

*Примечание. Поскольку фильтры должны использоваться как часть диплексера, состоящего из параллельно работающих ФНЧ с ФВЧ, фильтр-низкочастотник не должен закорачивать фильтр-высокочастотник на ВЧ, а фильтр верхних частот — соответственно, ФНЧ на НЧ. Так что в их полосе заграждения требуется входное сопротивление разомкнутой цепи (∞). Это достигается тем, что для ФНЧ первый (последовательный) элемент является катушкой индуктивности, а для ФВЧ — конденсатором.

Откроем окно настроек проекта, выберем пункт Graph, щёлкнем правой кнопкой мыши и выберем Add measurement. Откроется следующее окно:

Обычно радиочастотные устройства определяются S-параметрами (scattering parameters), описание которых очень объёмно и выходит за рамки статьи. Параметры S₁₁ и S₂₂ — это входные и выходные возвратные потери, указывающие, насколько хорошо согласовано устройство. S₂₁ и S₁₂ — это прямое и обратное усиление.

Выберем пункт Linear Measurement type>Port Parameter и S parameter, чтобы получить измерения S-параметров фильтра. Сохраним проект как «LowPassFilter», чтобы зафиксировать все введённые значения. Поскольку эта схема должна быть подключена телевизионным коаксиальным кабелем, убедимся ещё раз, что импеданс портов изменён со значения по умолчанию 50 Ом на 75 Ом. Теперь зададим диапазон рабочих частот с помощью записи Project options в левой панели.

Установим Global Units на MHz, а затем рабочий диапазон в окне Frequencies, как показано ниже:

Выберем пункт Simulate>Analyse, чтобы получить требуемую частотную характеристику, как показано на рисунке ниже. Масштабы, толщину линий и другие параметры графика задаются из панели инструментов Graph Properties или кликнув правой кнопкой мышки внутри графика Low Pass и выбрав Properties.

На рисунке ниже синий график — это передаточная функция S₂₁, а пурпурный — входной коэффициент отражения S₁₁. На графике хорошо видна частота среза 250 мегагерц и затухание в этой точке -3 децибел. В общем именно то, что мы и хотели получить.

В среде доступны переменные и уравнения как часть принципиальной схемы. Это даёт больший контроль над параметрами и помогает избежать электронных таблиц при расчёте значений элементов. Например, указав частоту среза в виде переменной, будет проще настроить его для её достижения. Это выглядит так:

Переменные размещаются в любом порядке, при условии, что объявление любой переменной находится выше её использования. Тогда R и Fc должны быть в самом верху, поскольку они используются переменными C1, C3, L2 и L4. Уравнения добавляются с помощью активации пункта меню Draw>Add Equation, а затем размещаются, где нужно.

Переменные без объявления, будь то глобальные или локальные, которые AWRDE не находит, выделяются красным цветом. Они меняются вручную или автоматически в ходе оптимизации. Нужно выбрать пункт Properties и затем установив флажки Tune и/или Optimize. Если потребуется, диапазон значений легко ограничить указанными верхними и нижними. Желательно ограничить R, L и C от явно неподходящих и отрицательных.

Любые настраиваемые переменные или уравнения отображаются синим шрифтом. Номинальные значения переменных отражаются либо в базовых единицах (F, H или Hz), либо как более удобные дольные/кратные (nF, nH или MHz).

Если нужно отображение в базовых единицах, то используйте классические формулы для расчёта параметров. Если в кратных/дольных единицах, то в уравнения необходимо ввести соответствующие множители, чтобы получить, скажем, nF для ёмкости, когда введена частота в МГц. При их использовании все графики имеют ось абсцисс в аналогичных единицах (например, МГц). Если одни и те же уравнения или одни и те же переменные используются в нескольких схемах, лучше ввести уравнения в окне Global Definitions, в левой части на рисунке. После этого они станут глобальными и доступными во всех проектах.

Как было определено в начале статьи, нам необходимо разработать диплексер, позволяющий принимать сигналы VHF (МВ) и UHF (ДМВ) телевидения отдельными антеннами, а затем объединять их для подачи на один радиочастотный вход телевизора.

Частоты VHF находятся в диапазоне 46÷230 мегагерц, а UHF — 527÷820 мегагерц. У нас в качестве границы между VHF и UHF диапазонами используется частота 250 мегагерц. В результате параметр S₂₁ (передаточная функция НЧ частот) должен превышать -3 дБ для частотного спектра ниже 250 мегагерц, а S₃₁ (передаточная функция ВЧ) — столько же для аналогичного значения спектра.

Таким образом, для сигналов VHF используется ФНЧ с частотой среза 250 мегагерц, смоделированный ранее, а для UHF — ФВЧ с аналогичным срезом. Они затем соединяются, как показано на рисунке ниже. Эта же схема применима в качестве сплиттера (разделителя) для разделения сигнала от антенны на два приёмника (радиоприёмник и телевизор). Наш диплексер состоит из ФНЧ, выделяющего низкочастотную составляющую, и верхних, выделяющего высокочастотную:

Наипростейший способ сделать диплексер — добавить ещё и фильтр-высокочастотник, а затем использовать оба фильтра в качестве подсхем для создания схемы диплексера. ФВЧ использует предварительно рассчитанные номиналы компонентов из таблицы. Полная схема диплексера и получившиеся значения S-параметров ниже:

Чтобы оптимизировать номиналы компонентов, уравнения должны быть удалены и введены фактические значения. Они ранее были получены и рассчитаны в табличном редакторе. Для удобства применяют нормализованные по частоте значения Cn1, Cn2, Ln1 и Ln2, как показано на схеме ФВЧ.

Из рисунка выше видно, обратные потери (параметр S₁₁) составляют всего -1.4 децибел вблизи частоты среза: входной сигнал плохо согласован. Сравнивая синюю кривую отдельного фильтра нижних частот с голубой кривой «диплексерного» ФНЧ, видим, что существует значительное взаимодействие между ними. Аналогичное ухудшение характеристик имеется и у ФВЧ (красная и пурпурная кривые).

Нужна оптимизация для улучшения характеристик диплексера в требуемом частотном диапазоне. Первая задача — определить цели. Для нашего диплексера требования таковы: параметр обратных потерь S₁₁ должен быть не менее -20 децибел во всём диапазоне VHF и UHF.

Вводим их в окне. Дважды щёлкните по элементам, которые нужно оптимизировать, и установите флажок Optimize в окне параметров для компонента или переменной, связанной с ним, как показано на схемах фильтров, чтобы гарантировать возможность оптимизации. Кроме того, можно добавить некоторые пределы затухания: на 100 мегагерц это -35 децибел и на 625 мегагерц это -35 децибел для S₂₁ и S₃₁, чтобы предотвратить изменение компонентов, и чтобы все частоты пропускались как низкочастотной, так и высокочастотной цепью.

Наконец, ограничение параметра S₁₁ устанавливается на -45 децибел, чтобы обеспечить почти идеальное соответствие по всему диапазону. Часто пределы оптимизации изменяются в процессе, чтобы получить наилучшие характеристики для конечной схемы. Выберем пункт меню Simulate>Optimize, чтобы начать оптимизацию. Метод «Simplex Optimisation» хорош, и достигает цели всего за один шаг.

На рисунке показаны начальные характеристики с целями оптимизации и панелью оптимизатора. Используется логарифмическая шкала частот, поскольку она чётко покажет прямые линии затухания 80 децибел/декада.

На рисунке ниже показаны критерии оптимизации и характеристики после её завершения. Видно, что диплексер соответствует всем требуемым спецификациям и что даже возможно обеспечить обратные потери -45 децибел на S₁₁. Изменение предела S₁₁ до -60 децибел позволяет ещё больше снизить S_11.

Если весовой коэффициент Cost History не уменьшается, стоит изменить некоторые начальные условия, так как оптимизация при таких условиях не выполнима. Изменение веса для одной или нескольких целей, либо метода поможет это исправить. Универсального решения не существует.

Иногда даже требуется чередовать несколько методов и изменять пределы оптимизации и веса, чтобы гарантировать получение хорошего результата. Для нашего диплексера метод «Discrete Local Search» не даст хорошей оптимизации, однако для сложных схем он даёт лучшие результаты, чем использованный нами «Simplex Optimisation». Поэтому стоит попробовать разные методы, остановившись потом на самом результативном.

Хороший обзор каждого из них есть в руководстве по AWR Design Environment. Номиналы компонентов фильтров после оптимизации с обратными потерями S₁₁ -60 децибел показаны на рисунках ниже.

Обратите внимание, что они значительно отличаются от начальных с использованием табличных значений фильтра Баттерворта. Получившиеся номиналы очень удобны, поэтому наш диплексер легко превращается из компьютерного прототипа в реальное устройство.

Можно заменить катушки индуктивности микрополосковыми линиями. Это поможет изготовить наш диплексер на недорогой печатной плате из FR3 или FR4, используя только конденсаторы и микрополосковые линии. Если решим сделать именно так, то длина и импеданс линий должны быть дополнительно оптимизированы для соответствия тем же спецификациям, что и наш смоделированный диплексер на «классических» катушках индуктивности, поскольку они ведут себя иначе, когда их длина становится сравнимой с четвертью длины волны.

Проектирование микрополосковых линий выходит за рамки сегодняшней статьи, так как является нетривиальной задачей и требует глубокого погружения в тему.