Desta vez, explicaremos detalhadamente o processo de design de um Filtro Passa-Baixa (LPF) para comunicação Sub-GHz (915MHz) utilizando o QucsStudio.
Etapa 1: Definindo o Desempenho Alvo
Para enviar ondas de rádio mais longe, utilizamos um amplificador para amplificar o sinal. Para melhorar a eficiência de energia durante a amplificação, é desejável amplificar o sinal maximizando a região linear do amplificador.
No entanto, ao buscar eficiência de energia, o sinal pode ser distorcido, gerando componentes harmônicos de n vezes. Esses componentes harmônicos podem afetar negativamente outros sistemas sem fio, por isso é necessário atenuá-los abaixo dos padrões baseados nas regulamentações de rádio de cada país. Por isso, é comum atenuar esses harmônicos com um LPF.
Desta vez, projetaremos um LPF que permita a passagem da banda Sub-GHz enquanto atenua frequências acima dela, utilizando indutores e capacitores.
No design real, é necessário projetar o filtro individualmente de acordo com as características do dispositivo usado e o nível harmônico almejado.
Como exemplo específico, buscaremos alcançar um desempenho equivalente ao LPF laminado da TDK, DEA100915LT-6319A1, e definiremos os indicadores de desempenho como segue.
- Perda de Inserção: Abaixo de 0,5dB (824-915MHz)
- Atenuação: Acima de 18dB (1648-1830MHz)
Etapa 2: Projeto Inicial do LPF Usando a Ferramenta Filter Synthesis
O QucsStudio inclui uma ferramenta Filter Synthesis que gera automaticamente projetos de filtros. Usaremos essa ferramenta para realizar o projeto inicial de um filtro que atenda ao desempenho alvo.
Utilizando a ferramenta Filter Synthesis, projetaremos um LPF do tipo Butterworth nas seguintes condições.
Ordem: 6ª
Frequência de Corte: 1,1GHz
O filtro criado atende às características alvo, conforme confirmado.
Etapa 3: Aplicando Valores Reais dos Componentes e Confirmando o Desempenho
Com valores próximos aos constantes dos resultados de cálculo do projeto inicial, selecione indutores e capacitores disponíveis no mercado e altere para os seguintes valores para verificar o desempenho do filtro.
- L1: 10,23nH ⇒ 10nH
- L2: 13,94nH ⇒ 14nH
- L3: 3,745nH ⇒ 3,7nH
- C1: 1,498pF ⇒ 1,5pF
- C2: 5,59pF ⇒ 5,6pF
- C3: 4,092pF ⇒ 4,1pF
As características ainda atendem ao alvo.
Etapa 4: Considerar Tolerâncias com a Análise de Monte Carlo
Componentes reais, como capacitores e indutores, apresentam variações dentro das faixas definidas por tolerâncias. Uma análise de Monte Carlo é realizada para avaliar o impacto dessas variações no desempenho do filtro.
Em geral, capacitores, indutores e outros componentes têm linhas de produtos com diferentes tolerâncias. Restringir a faixa de tolerâncias aumenta o custo das peças. Portanto, é preferível usar peças com tolerâncias mais amplas, se não houver problemas de desempenho.
Primeiro, realizaremos uma análise de Monte Carlo sob as condições de tolerância mais amplas para verificar as características.
- L1: 10nH±5%
- L2: 14nH±5%
- L3: 3,7nH±0,2nH
- C1: 1,5pF±0,25pF
- C2: 5,6pF±0,25pF
- C3: 4,1pF±0,25pF
Assumindo uma distribuição normal para as variações das peças, a maior variação é analisada como 4σ. Por exemplo, para 10nH, 4σ é 5%, então σ = 1,25%.
Quando essas faixas de variação são consideradas na simulação, o pior cenário se torna evidente.
915MHz -0,481 ⇒ -0,695dB
1650MHz -20,9 ⇒ -19,9
Se a variação for muito grande, a tolerância das peças pode ser melhorada mudando, por exemplo, os indutores para ±3%, os capacitores para ±0,1pF. Considere isso de acordo com as características alvo no design real.
Conclusão
Através do processo detalhado de design do LPF utilizando o QucsStudio, apresentamos um método para projetar um filtro que atenua eficazmente os harmônicos na banda Sub-GHz. Ao aproveitar os recursos de simulação e ferramentas de análise do QucsStudio, é possível realizar um design de filtro próximo ao ideal.
O LPF projetado e o DEA100915LT-6319A1 visado também podem ser comparados usando parâmetros S.
Vermelho: LPF projetado na simulação
Azul: DEA100915LT-6319A1
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