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Conceitos básicos de design de filtro de RF

Conceitos básicos de design de filtro de RF


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O design do filtro de RF é frequentemente considerado difícil e reservado apenas para desenvolvedores especializados. Embora o projeto do filtro de RF possa ser complicado, o processo pode ser simplificado e aberto para permitir que seja realizado por um projetista eletrônico.

Para garantir que o projeto ideal seja alcançado para o filtro de RF, é necessário ter os requisitos de parâmetros de desempenho exigidos no lugar para que as decisões possam ser tomadas sobre topologia, tipos de filtro e semelhantes.

No entanto, seja qual for o projeto de filtro real necessário, a mesma metodologia básica é usada para projetar qualquer filtro. Usar uma metodologia significa que todos os requisitos necessários são levados em consideração, a abordagem de design correta usada e, finalmente, o filtro de RF correto é projetado.

Conceitos básicos de design de filtro de RF

Em termos gerais, os filtros modificam as amplitudes e fases das formas de onda senoidais que passam por eles. Essa mudança varia de acordo com a frequência das sinusóides individuais dentro da forma de onda geral.

A maioria dos filtros são denominados filtros lineares. Como tal, eles não têm ações não lineares nas quais a resposta é proporcional à entrada. Em vez disso, os sinais passam e sua amplitude e fase são alteradas de forma linear de acordo com sua frequência.

A partir disso, é possível determinar alguns dos principais parâmetros de projeto de filtro de RF, que são os fatores pelos quais o sinal é alterado, ou seja, o ganho, G e o deslocamento de fase θ. Como tanto o ganho G quanto o deslocamento de fase θ são dependentes da frequência, ou seja, são funções de frequência, eles podem ser expressos da seguinte forma:

G =G (f)

θ =θ (f)

Essas duas funções representam a resposta de magnitude (frequentemente chamada de resposta de frequência) e a resposta de fase do filtro, respectivamente.

Essas duas funções governam os principais recursos que precisam ser conhecidos sobre o filtro. Ao ser capaz de determinar as funções, é possível projetar o filtro RF.

Normalmente, o exemplo do projeto de filtro de RF passa-baixo é usado em primeiro lugar e, em seguida, é expandido para incluir outras formas de filtro. Conseqüentemente, examinaremos primeiro o design do filtro passa-baixa.

Filtros reais e ideais

Ao projetar um filtro de RF, seria ideal se o filtro permitisse a passagem de sinais dentro da banda de passagem sem qualquer alteração na amplitude ou fase. Filtros como esse poderiam ter uma resposta retangular, caindo direto para sua banda de parada e dando o nível necessário de atenuação de banda de parada.

Infelizmente, não é possível projetar filtros de RF como este, e os projetos de filtros de RF reais só podem se aproximar das curvas e parâmetros de resposta ideais. Essas aproximações podem então ser usadas como os diferentes tipos de filtro existentes. Estes incluem Butterworth, Bessel, Chebyshev, Elliptical, Gaussian e muitos mais.

Usando uma abordagem matemática para o projeto de filtros de RF, é possível usar uma relação matemática. Pode ser provado que o quadrado da resposta para todos os filtros realizáveis ​​pode ser expresso como a razão de dois pares, isto é, polinômios racionais. Isso significa que uma expressão matemática genérica para todos os projetos de filtro de RF é:

G2f=B2(f)UMA2(f)

Design e normalização do filtro RF

Enquanto equações relativamente simples estão disponíveis para filtros Butterworth e filtros de K constante, outras formas de filtro requerem cálculos mais complicados.

A abordagem do projeto de filtro de RF que tem sido usada por muitos anos usa o que chamamos de filtros normalizados. Um conjunto de variáveis ​​é calculado para um conjunto padrão de condições e tabulado pronto para uso e dimensionado para as condições necessárias.

Um filtro normalizado teria uma frequência de corte de 1 radiano por segundo, ou seja, 0,159 Hz e uma impedância de 1Ω. Esses valores podem ser escalados facilmente para uso na frequência e impedância exigidas. Desta forma, a matemática tediosa e complicada necessária para o projeto do filtro de RF foi reduzida a pouco mais do que determinar os requisitos e então encontrar a tabela de valores relevante. As tabelas estão disponíveis em diversos livros e até on-line.

Os requisitos que primeiro precisam ser escolhidos incluem parâmetros como o tipo de filtro (Butterworth, Chebyshev, etc.), nível de ondulação, etc, ordem do filtro (ou seja, o número de indutores e capacitores), etc.

Depois de escolhidos, a tabela relevante pode ser encontrada e os valores para os elementos do filtro determinados.

Projeto e dimensionamento do filtro RF

Uma vez que o projeto do filtro foi realizado em sua forma normalizada, é necessário transformar os valores para a frequência e impedância exigidas. No formato normalizado, o projeto do filtro tem um corte de 0,159 Hz, ou seja, 1 radiano por segundo e é projetado para funcionar em uma resistência de carga de 1 Ω.

C =Cn2πfcR

eu=R  eun2  π  fc

Onde:
C = valor real do capacitor
L = valor real do indutor
Cn = valor do capacitor normalizado
Ln = valor do indutor normalizado
R = valor do resistor de carga necessário
fc = frequência de corte necessária

Processo de design de filtro RF

Existem várias etapas ou estágios no processo de design do filtro de RF. Segui-los em ordem ajuda o filtro RF a ser projetado de forma lógica. Essas etapas são para o design do filtro passa-baixo - estágios adicionais para transferi-lo para um filtro passa-alto ou passa-banda são fornecidos nas páginas seguintes.

Embora alguns programas de computador possam permitir design direto, geralmente o design usando tabelas, etc. ainda é amplamente utilizado. Se um programa de computador for usado, o processo de design do filtro pode ser modificado de acordo.

  1. Defina a resposta necessária: o primeiro estágio do processo é realmente definir a resposta necessária. Elementos como ponto de corte, atenuação em um determinado ponto, etc.
  2. Normalize frequências: Para poder usar as várias tabelas e diagramas de curvas de filtro, é necessário converter todas as frequências para que o ponto de corte seja de 1 rádio por segundo e quaisquer outros pontos sejam relativos a este.
  3. Determine a ondulação máxima da banda passante: Uma das etapas principais no projeto do filtro de RF é entender o quanto a ondulação dentro da banda pode ser tolerada. Quanto mais ondulação, maior o nível de seletividade que pode ser obtido. Quanto maior a seletividade, mais rápida será a transição da banda passante para o roll off final.
  4. Combine as curvas de atenuação necessárias com as do filtro: Com o conhecimento das características, tanto em termos de ondulação quanto de rejeição exigidas em determinados pontos, é possível determinar o tipo de filtro e também a ordem ou o número de elementos exigidos no projeto do filtro.
  5. Determine os valores do elemento: Usando as tabelas de pesquisa relevantes, os valores do componente de filtro normalizado podem ser determinados
  6. Valores normalizados da escala: Finalmente, os valores precisam ser ajustados para a frequência de corte e resistência necessárias.

Os valores e curvas dos filtros podem ser encontrados em vários livros de design de filtros, incluindo "Handbook of Filter Synthesis" de Zvrev, pub Wiley.

Hoje, muitos programas ou aplicativos de design de circuitos e filtros estão disponíveis on-line ou como download de um aplicativo.

Usando esses aplicativos, muitas vezes é possível alimentar os requisitos diretamente e para que o design apareça. No entanto, ainda é aconselhável ser capaz de compreender o processo de design a partir dos princípios básicos e, dessa forma, as limitações dos trade-offs podem ser melhor compreendidas.

Compreender os fundamentos do projeto de filtro de RF não apenas permite que os filtros sejam projetados, mas, mesmo que o projeto real não seja realizado, ele fornece uma visão maior do processo e das especificações dos próprios filtros.


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