In diesem Beitrag erklären wir im Detail den Entwurfsprozess eines Tiefpassfilters (LPF), das für die Sub-GHz-Band-Kommunikation (915 MHz) unter Verwendung von QucsStudio entwickelt wird.
Schritt 1: Festlegung der Zielanforderungen
Um Funksignale über große Entfernungen zu übertragen, wird ein Verstärker eingesetzt. Für eine maximale Energieeffizienz sollte der Verstärker im linearen Bereich betrieben werden, um das Signal zu verstärken.
Die Maximierung der Effizienz führt jedoch zu einer leichten Verzerrung des Signals, was die Erzeugung von Oberwellen in Vielfachen der Grundfrequenz verursacht. Diese Oberwellen können andere Funksysteme stören und müssen daher gemäß den nationalen Vorschriften auf einen bestimmten Grenzwert reduziert werden. Ein LPF wird eingesetzt, um diese Oberwellen zu dämpfen.
In diesem Beispiel entwerfen wir ein LPF, das das Sub-GHz-Band durchlässt und höhere Frequenzen mithilfe von Induktivitäten und Kondensatoren dämpft.
Für die tatsächliche Konstruktion muss der Filter auf die Ziel-Oberwellenpegel und die Eigenschaften des verwendeten Geräts abgestimmt sein.
In diesem Fall streben wir eine Filterleistung an, die mit dem LPF DEA100915LT-6319A1 von TDK vergleichbar ist. Die Zielparameter sind wie folgt:
- Einfügedämpfung: Maximal 0,5 dB (824–915 MHz)
- Dämpfung: Mindestens 18 dB (1648–1830 MHz)
Schritt 2: Erster Entwurf des LPF mit dem Filter Synthesis Tool
QucsStudio verfügt über das Filter Synthesis-Tool, das die automatische Erstellung von Filtern ermöglicht. Mit diesem Tool wird der erste Entwurf des Filters erstellt, der die Zielanforderungen erfüllt.
Mit Filter Synthesis wird ein Butterworth-LPF unter folgenden Bedingungen erstellt:
Ordnung: 6
Grenzfrequenz: 1,1 GHz
Der erstellte Filter erfüllt die angestrebten Spezifikationen.
Schritt 3: Anwendung realer Bauteilwerte und Leistungsüberprüfung
Anschließend wählen wir reale Induktivitäten und Kondensatoren aus, die nahe an den berechneten Werten des ersten Entwurfs liegen. Die Werte werden wie folgt angepasst und die Filterleistung überprüft:
- L1: 10,23 nH ⇒ 10 nH
- L2: 13,94 nH ⇒ 14 nH
- L3: 3,745 nH ⇒ 3,7 nH
- C1: 1,498 pF ⇒ 1,5 pF
- C2: 5,59 pF ⇒ 5,6 pF
- C3: 4,092 pF ⇒ 4,1 pF
Auch mit diesen Werten erfüllt der Filter die angestrebten Spezifikationen.
Schritt 4: Überprüfung der zulässigen Toleranzen mit der Monte-Carlo-Analyse
Reale Induktivitäten und Kondensatoren weisen produktionsbedingte Toleranzen auf, die die Filterleistung beeinflussen können. Um diese Auswirkungen zu bewerten, führen wir eine Monte-Carlo-Analyse durch.
Induktivitäten und Kondensatoren sind in Varianten mit unterschiedlichen Toleranzen erhältlich. Je enger die Toleranzen, desto teurer sind die Bauteile. Daher ist es ratsam, Komponenten mit möglichst breiten Toleranzen zu verwenden, solange die Leistung nicht beeinträchtigt wird.
Wir führen die Monte-Carlo-Analyse zunächst unter den weitesten Toleranzbedingungen durch.
- L1: 10 nH ± 5 %
- L2: 14 nH ± 5 %
- L3: 3,7 nH ± 0,2 nH
- C1: 1,5 pF ± 0,25 pF
- C2: 5,6 pF ± 0,25 pF
- C3: 4,1 pF ± 0,25 pF
Die Bauteilabweichungen werden normalverteilt angenommen, wobei der größte Wert als 4σ definiert ist. Für 10 nH ergibt 4σ eine Abweichung von 5 %, also σ = 1,25 %.
Die Simulation zeigt, wie sich diese Abweichungen im Worst-Case auf die Leistung auswirken.
915 MHz -0,481 ⇒ -0,695 dB
1650 MHz -20,9 ⇒ -19,9 dB
Falls die Abweichungen zu groß sind, kann die Toleranz der Bauteile reduziert werden, beispielsweise auf ±3 % für die Induktivitäten und ±0,1 pF für die Kondensatoren. Im tatsächlichen Design muss die Entscheidung basierend auf den Zielparametern getroffen werden.
Fazit
Dieser Beitrag hat den detaillierten LPF-Entwurfsprozess mit QucsStudio zur Dämpfung von Oberwellen im Sub-GHz-Band vorgestellt. Mit den leistungsstarken Simulations- und Analysetools von QucsStudio kann ein nahezu ideales Filterdesign erreicht werden.
Das entworfene LPF kann auch mit dem Ziel-Filter DEA100915LT-6319A1 anhand der S-Parameter verglichen werden.
Rot: Simuliertes LPF
Blau: DEA100915LT-6319A1
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