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9-2013

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HF-Praxis 9/2013

Applikationen

Applikationen Überlegungen zum Design abstimmbarer Filter Die moderne Nachrichtenübermittlung ist gekennzeichnet durch überfüllte Bänder und räumlich nah beieinander befindliche Empfänger und Sender, die gleichzeitig betrieben werden (SIMOP). HF-System-Designer müssen daher in steigendem Maße ihr Augenmerk auf die Signalerzeugung ihrer Geräte und ihre Fähigkeit zur Unterdrückung von Fremdsignalen und Rauschen richten. Der Empfänger muss in der Lage sein, auch bei starken interferierenden Signalen auf benachbarten Kanälen einwandfrei zu arbeiten, während das Senderrauschen und Nebenwellen den Rauschflur von Empfängern am gleichen Standort künstlich erhöhen, was dazu führt, dass die Empfänger unempfindlicher werden und der Kommunikationsbereich kleiner wird. Zur Lösung dieser Probleme bietet Pole/Zero ein umfangreiches Produktangebot. Darunter befinden sich mehrere Familien von schnell abstimmbaren Bandsperren, Bandpassfiltern und Pre/Post-Selektions-Filtern zur Integration in die jeweiligen Geräte. Spezielle Unterstützung bietet Pole/Zero bei der Planung und dem Design von Cosite- Equipment für den Betrieb am gleichen, gemeinsamen Standort. Abstimm- Komponenten Das Ändern der Resonanz- Frequenz eines abstimmbaren Kreises kann entweder durch Variation der Induktivität oder der Kapazität erfolgen. Wegen ihrer kleineren Abmessungen und ihrer höheren Güte Q werden allgemein Kondensatoren als Abstimmelement gewählt. Eine Möglichkeit, um dies zu realisieren, besteht darin, die Kapazität aus einer Bank von geschalteten, diskreten Kapazitäten aufzubauen. Obwohl alles andere als ideal bleibt die PIN-Diode doch die wichtigste HF-Schalterkomponente bei HF-Leistungen von 1 bis 100 W oder höher. Varaktor-Dioden sind auf Leistungen bis 20 mW beschränkt. Auswahl des richtigen abstimmbaren Filters Die Auswahl des richtigen Filters für eine bestimmte Aufgaben erfordert, dass der Designer eine Reihe von Aspekten berücksichtigt. Sie beziehen sich auf die technische Leistung, Größe, Gewicht und Kosten. In technischer Hinsicht sind folgende Filter-Leistungsmerkmale von Bedeutung: • Einfügungs-Verlust • Bandbreite/Selektivität • HF-Belastbarkeit • Intercept-Punkt 3. Ordnung • Abstimmbereich • Abstimmgeschwindigkeit • Leistungsaufnahme Zusätzlich müssen die Größe und das Gewicht der Filter berücksichtigt werden, speziell für portable und für die Luftfahrt bestimmte Ausrüstungen. Einfügungsdämpfung (IL) und Bandbreite/ Selektivität Eine etwas ungünstige Regel der Physik besagt, dass der Einfügungsverlust und die Bandbreite eines Filters in umgekehrter Beziehung zueinander stehen: je schmaler die Bandbreite eines Filters in gegebener Technologie, desto höher ist sein Verlust. Die Bandbreite/Verlustbeziehung wird von einem Filter-Designer durch einen Wert gekennzeichnet, den man als „unbelastetes Q“ bezeichnet. Diese Größe gibt die Güte Q eines unbelasteten Resonanzkreises an. Q ist für einen Resonanzkreis mit der Frequenz f0 mathematisch wie folgt definiert: Q = ω 0 × R × C 26 hf-praxis 9/2013 oder Q = ω 0 R × L Es ist offensichtlich, dass die Güte des Resonanzkreises um so größer wird, je höher der Wert des parallel liegenden Verlustwiderstandes R ist, der die Verluste kennzeichnet (z.B. repräsentiert durch den ohmschen Widerstand der Induktivität). Die Einfügungsdämpfung eines 2-poligen- Butterworth-Filters ist durch die folgende Formel gegeben: I L ⎡ ⎤ ⎢ Q ⎥ = 20 × log ⎢ ⎥ ⎢ 1, 414 Q − ⎥ ⎢ ⎣ BW ⎥ 3dB ⎦ Wiederum besteht die einzige Methode zur Verbesserung der Einfügungsdämpfung, bei gegebener Technologie und Bandbreite, in der Erhöhung der Güte Q seiner Resonanzkreise. Dies bedeutet in der Praxis größere Abmessungen, erhöhten Leistungsverbrauch und höhere Kosten aufgrund von verlustärmeren Komponenten besserer Qualität. HF-Belastbarkeit Dieser Parameter kann der wichtigste bei der Auswahl eines abstimmbaren Filters sein. Im Gegensatz zu fest abgestimmten Filtern, die aus passiven Komponenten bestehen, enthalten abstimmbare Filter auch aktive Bauelemente mit begrenzter Linearität. Der 1-dB-Kompressionspunkt eines Filters ist der

Applikationen HF-Signalpegel, bei dem die Einfügungsdämpfung um 1 dB ansteigt. Bei einem abstimmbaren Filter tritt dieser Effekt auf, wenn das über dem aktiven Element (PIN-Diode oder Varaktor) liegende HF-Signal genau so groß wird, wie die angelegte DC-Betriebsspannung. Bei PIN- Dioden kann die HF-Belastbarkeit mit einer erhöhten Sperrspannung verbessert werden, jedoch muss dann darauf geachtet werden, dass die Summe aus HF- und Sperrspannung nicht die Durchbruchsspannung des Gerätes erreicht. Intercept-Punkt 3. Ordnung (IP3) Der sogenannte IP3 ist ein Maß für die Linearität und ist eng verbunden mit dem 1-dB- Kompressionspunkt des Filters. Wenn zwei starke Signale (F1 und F2) am Filter-Eingang oder –Ausgang anliegen, werden zwei neue Signale generiert, die auf beiden Seiten der interferierenden Signale auftreten und den Abstand F1-F2 voneinander haben. Wenn diese interferierenden Signale innerhalb des Passbands des Filters auftreten, können die Verzerrungsprodukte sehr stark sein und sehr leicht direkt auf das gewünschte Signal fallen. In einem abstimmbaren Filter werden diese Verzerrungen durch die Nichtlinearitäten der aktiven Komponenten verursacht, wenn große Hf-Spannungen anliegen. Der Inband-IP3 ist üblicherweise 10 bis 15 dB höher als der 1-DB- Kompressionspunkt eines Filters. Die Amplitude der Verzerrungsprodukte verringert sich, wenn die Störsignale aus dem Passband verschoben werden und nur noch auf den Filterflanken aufgenommen werden. Es ist zu beachten, dass auch bei kleiner HF-Belastung entsprechend hohe IP3-Anforderungen Größe, Gewicht und Preis des Filters in die Höhe treiben können. Abstimmbereich Pole/Zero-Filter bieten einen Frequenzabstimmbereich von einer vollen Oktave. Je kleiner der geforderte Abstimmbereich für das Filter ist, um so besser ist seine Leistungsfähigkeit. Wenn der Abstimmbereich reduziert werden kann oder sich zwei Halbband-Filter verwenden lassen, wird zumindest ein weiterer, technischer Parameter deutlich verbessert. Leistungsaufnahme Pin-Dioden verbrauchen Leistung, wenn sie im Durchlassbereich betrieben werden. Generell wird bei Erhöhung der Vorwärtsspannung einer Diode das unbelastete Q verbessert und auf diese Weise der Einfügungsverlust verringert. Standardfilter Design Pole/Zero´s Standard-Bandpass- Filter der Familien MINI-Pole, MAXI POLE und POWER- POLE sind zweipolige Konstant- Q-Ausführungen und sind so abgeglichen, dass sie eine gute Annäherung an einen Butterworth-Verlauf aufweisen. Die Filter-Abstimmbereiche decken die populären Kommunikationsbänder von 1,5 MHz bis 1 GHz ab. Es sind Ausführungen mit Standard-3-dB-Bandbreiten von 1,8 bis 20% erhältlich. Die Abstimmung erfolgt mit einem über PIN-Dioden geschalteten, binär abgestuften Kondensatorarray, das parallel zu einer Induktivität oder einem Resonator hoher Güte liegt. Ein einzelner +5-V-Eingang liefert den Strom für die Dioden-Vorspan- hf-praxis 9/2013 27

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