מסננים ללא החזרות משפרים את נקודת ה IP3 במערכות של ממירים מעלים וממירים מורידים
Martina Yan/Mini-Circuits
מאז שהמסננים ללא החזרות בסדרת X של Mini-Circuits יצאו לשוק, נערכות בדיקות רבות להערכת היתרונות של המוצרים המהפכניים האלו בהשוואה למסננים רגילים. בעוד שלמסננים רגילים יש החזרה מלאה בפס החסימה (stopband), במסננים ללא החזרה משתמשים בטופולגיית מסנן חדשנית הרשומה כפטנט, שבה אותות פס החסימה נבלעים ומגיעים לסיומת באופן פנימי, מונעים בכך רבות מבין הבעיות המערכתיות הנגרמות על ידי החזרות בשרשרת האותות. יכולת חדשה זו הופכת את המסננים ללא החזרות למסננים שמתאימים לשימוש ביישומים רבים, מעבר ליישומים שבהם משמשים מסננים רגילים בדרך כלל. אחד היישומים הנפוצים והמעשיים ביותר מבין יישומים אלו הוא סינון בכניסות וביציאות של ערבלים.
בדיקות שבוצעו בעבר אשר פורסמו על ידי Mini-Circuits, ביססו את הטענה שמסננים ללא החזרות מבטלים למעשה את ההחזרות בין המסנן ומוצא הערבל, בהשוואה למסננים רגילים. ההשפעה הצפויה של הפחתה זו היא שיפור כולל בליניאריות ובטווח הדינמי של המערכת, אך שיפור זה נרמז כבר בדיווחים קודמים.
מאמר זה מציג תוצאות חדשות של בדיקות שמדגימות שיפור כולל בנקודת חיתוך העקומות מסדר שלישי (IP3) של המערכת, כאשר משתמשים במסננים ללא החזרות בכניסות וביציאות של ערבלים במערכות של ממירים מעלים ושל ממירים מורידים, בהשוואה למסננים רגילים ברכיבים בדידים או למסנני LTCC רגילים. התוצאות הרחיבו גם את ההשוואות הקודמות על ידי בדיקת מספר רב של שילובי ערבלים עם מסננים והצגה של שיפור עקבי בביצועים, כאשר השתמשו במסננים ללא החזרות.
מערך בדיקת ממיר מעלה
לצורך השוואה, בוצעו בדיקות של אפנון ביניים בשני אותות בתצורה של ממיר מעלה באמצעות ערבלים מבוססי דיודות עם מגוון של מסננים בחיבורי כניסות התב”מ (תדר ביניים – IF) וביציאות הת”ר (תדר רדיו – RF). מדידות של אפנון הביניים מסדר שלישי בוצעו עם כניסת תדר ביניים של 150 מגה הרץ ובמרווחים של 1 מגה הרץ בין שני האותות וביציאות ת”ר של 800 מגה הרץ ו- 2,200 מגה הרץ. מערך הבדיקה מתואר באיור 1, ותנאי הבדיקה מסוכמים בטבלה 1.
כל אחד משני הערבלים נבדק (1) ללא מסננים, (2) עם מסננים בעלי החזרות (מסננים עם רכיבים בדידים ומסנני LTCC) ו (3) עם מסננים ללא החזרות בחיבורי כניסת התב”ם ויציאת הת”ר. תדירויות אפנון ביניים מסדר שלישי, נמוכות וגבוהות, נמדדו ביציאת הת”ר בכל המקרים ועברו השוואה. סיכום התוצאות מוצג בטבלה 2. למען הקיצור, התוצאות המוצגות כאן הן עבור יציאת ת”ר של 800 מגה הרץ בלבד. התוצאות עבור יציאת ת”ר של 2,200 מגה הרץ דומות, ואפשר לקבל אותן מחברת Mini-Circuits על ידי הגשת בקשה.
ראוי לשים לב, שבכל המקרים שבהם נעשה שימוש במסננים עם החזרה, המסננים תרמו לעלייה משמעותית במכפלת אפנון הביניים מסדר שלישי (IM 3) ביחס למכפלת IM 3 של הערבל שבו לא שימשו מסננים כלל וכלל. עם זאת, כאשר נעשה שימוש במסננים ללא החזרות, מכפלת IM 3 שנמדדה הייתה שווה כמעט לזו שנמדדה בערבל לבדו או נמוכה מממנה. לכן, תוצאות אלו מוכיחות שהשימוש במסננים ללא החזרות במעגלי ממירים מעלים מביא לשיפור בביצועים של אפנון ביניים מסדר שלישי בטווח שבין כ- 5 dB עד 18 dB, בהשוואה לביצועים שנמצאו בשימוש במסננים רגילים באותו מעגל.
מערך בדיקת ממיר מעלה
בדיקות של אפנון ביניים בשני אותות בוצעו בתצורה של ממיר מוריד כפי שמתואר באיור 2. כמו במערך של הממיר המעלה, נבדקו שילובים שונים של מסננים וערבלים במטרה להשוות מסננים ללא החזרה עם מגוון של מסננים רגילים. לצורך ייחוס, הערבלים נבדקו גם ללא מסננים. מדידות של אפנון ביניים מסדר שלישי בוצעו עבור כניסות ת”ר של 800 מגה הרץ ו- 2,200 מגה הרץ, עם מרווחים של 1 מגה הרץ בין שני האותות וביציאת תב”מ של 150 מגה הרץ. מערך הבדיקה מתואר באיור 2 ותנאי הבדיקה מסוכמים בטבלה 3.
התדירות הנמוכה והגבוהה מסדר שלישי של אפנון הביניים נמדדו ביציאת התב”מ עבור כל המקרים ועברו השוואה. סיכום התוצאות מוצג בטבלה 4. שוב, למען הקיצור, התוצאות המוצגות כאן הן עבור כניסת ת”ר של 800 מגה הרץ בלבד, אבל כניסת ת”ר של 2,200 מגה הרץ הפיקה תוצאות דומות.
גם כאן אפשר לראות שבעת שימוש במסננים ללא החזרות, הושגה הפחתה ברמות מכפלת IM 3 בהשוואה לשימוש במסננים רגילים באותו מעגל. הביצועים של אפנון הביניים מסדר שלישי עם מסננים ללא החזרות בכניסת הת”ר של הערבל וביציאת התב”מ שלו, היו כמעט שווים לאלו של הערבל עצמו ללא מסננים. כל זאת מראה שהשיפור בהשוואה למסננים הרגילים הוא בטווח שבין
5.5 db ל- 12 dB.
סיכום
השיפור של הליניאריות ושל הטווח הדינמי היו תמיד היעד של תכנוני מקמ”שים הפועלים בת”ר. נקודת ה IP3 של הערבל עצמו היא אחד הגורמים שמגבילים באופן ברור את ביצועי המערכת, אבל גם המסננים הטובים ביותר מייצרים מכפלות של אפנון ביניים ברמה מסוימת שיכולה ליצור פעילות גומלין עם מרכיבים סמוכים בשרשרת אותות הת”ר. מאחר שגורמים סמוכים אלו, במערכות שמשמשות בעולם האמיתי, הם לעתים קרובות מסננים, האותות שנמצאים מחוץ לפס מוחזרים באופן מלא אל תוך הערבל, שם הם יוצרים קבוצה משנית של אותות ‘שווא’ (spurious) שמגבילים עוד את הטווח הדינמי של המערכת.
בעיה זו שררה זמן רב בתכנוני מערכות ת”ר, ואנשי התכנון עמדו מולה חסרי ישע, פחות או יותר, עד לאחרונה. על מנת לפצות על התופעות החמורות של ההחזרות במסנני חסימת פס (למשל הוספה של מנחתים או מגברי בידוד סביב הערבל), השתמשו בטכניקות שונות, אבל הפתרונות האלו עדיין הפחיתו את היחס אות לרעש והטווח הדינמי של המערכת, והפכו להיות בבחינת “גול עצמי”.
התוצאות המוצגות במאמר זה מדגימות כיצד מסננים ללא החזרות יכולים לשמש עם ערבלים בתכנונים של ממירים מעלים ושל ממירים מורידים, על מנת לבלוע בתוך המעגל עצמו את האותות האלה שמחוץ לפס הרוחב. בהשוואה למסננים רגילים באותו המעגל, המסננים ללא החזרות משיגים הפחתה משמעותית במכפלות אפנון הביניים מסדר שלישי, כזו אשר תואמת לשיפור יחסי בטווח הדינמי של המערכת.
חברת Mini-Circuits מציעה מהמלאי טווח רחב של מסננים ללא החזרות במארזי QFN זעירים ובתצורה של שבב חשוף, אשר כולל דגמים של מסננים מעבירי נמוכים, מעבירי פס ומעבירי גבוהים עם העברת פס ממתח ישר עד 30 ג’יגה הרץ. מוצרים אלו הרשומים כפטנט מספקים לאנשי התכנון כלי חדש להשגת שיפורים בביצועים במערכות שלהם, אשר דומים לאלו המוצגים במאמר זה.
