ביטול השימוש ב- Bias Tee במוצא של מגברי Push–Pull באמצעות שימוש בשנאי 3:1 לא מאוזן למאוזן + TCM3–452X

מגברי Push-Pull משמשים במערכות מרובות אוקטבות כדי לשפר את הספק המוצא והנצילות של המגבר, לדכא הרמוניות לא רצויות ולשפר את הטווח הדינמי של המערכת. בתכנון של מגבר Push-Pull אות המקור מסופק לשני טרנזיסטורים או מגברים מתואמים במקביל וביחס מופע (פאזה) של 180º. כאשר מחברים אותם מחדש בעזרת התקן מסכם שני בהזזת מופע של 180º, האותות הבסיסיים נמצאים במופע אחד ובסיכום של פעמיים ההספק של כל מחצית, שעה שההרמוניות מסדר זוגי הן במופע הפוך, וכך מתבטלים באופן אידיאלי האותות הבלתי רצויים האלו. במציאות, חוסר האיזון של המופע והמשרעת (אמפליטודה) של מעגלי הפיצול והסיכום גורם ל”קלקול” של הביטול האידיאלי. עם זאת, התוצאה הנקייה היא עדיין דיכוי משמעותי של ההרמוניות הזוגיות, בדרך כלל ב-20dB עד 40dB.

טופולוגיות של המעגל

פיצול המופעים בכניסה של המגבר מושג בדרך כלל באמצעות שנאי מאוזן ללא מאוזן. במוצא, שתי המחציות של האות מחוברות מחדש בעזרת שנאי לא מאוזן למאוזן, אך מאחר שלדרגת המגבר נדרש זרם ישר, יש צורך במתח (bias) במוצא המגבר. גישה נפוצה לאספקת מיקדם במוצא של מגבר Push-Pull היא זו שמשתמשת בשני חיבורי Bias Tee כפי שמוצג באיור 1.

תכנון זה מבודד ביעילות את הזרמים הישרים מאות ה RF, אבל יש בו כמה חסרונות. השימוש בחיבורי Bias Tee לבידוד הזרם הישר במוצא של המגבר מוסיף את עלות הרכיבים הנוספים לתכנון המערכת, תופס מקום על מעגל המודפס ומוסיף הפסדים לשרשרת האותות בתלות בתיאום של חיבורי Bias Tee המסוימים שבהם משתמשים. במאמר זה יוצג תכנון חלופי עבור דרגת המוצא של מגברי

Push-Pull באמצעות השנאי לא מאוזן למאוזן +TCM3-452X של Mini-Circuit עם מסננים חוסמי זרם ישר (DC Block), על מנת לבטל את הצורך בחיבורי Bias Tee ובכך להפחית עלויות, לחסוך במקום על המעגל המודפס ולהקטין את הפסדי המעבר (insertion loss) הכוללים של המערכת.

תכנון כאשר חיבורי Bias Tee אינם במוצא המגבר

+TCM3-452X של Mini-Circuit הוא שנאי 3:1 לא מאוזן למאוזן רחב פס (20 עד 4500 מגה הרץ). השנאי הוא מסוג קו תמסורת מאוזן עם סנף מרכזי בסליל המשני, שמספק הפסדי מעבר נמוכים (1.5dB אופייני) אשר הופכים אותו למתאים במיוחד לשימוש במגוון יישומים רחב של מגברי Push Pull. באיור 2 מוצגים תמונת המארז והתרשים של הדגם הזה. אפשר להשתמש בשנאי הזה במוצא של מגבר Push-Pull תוך כדי שימוש בגישה המסורתית עם הארקה ישירה וחיבורי Bias Tee לפני הכניסות כפי שמוצג באיור 3. באופן תיאורטי, אפשר לבטל את שני חיבורי Bias Tee מהמעגל על ידי שימוש במסננים חוסמי זרם ישר כמוצג באיור 4.

מאחר שהזרמים הישרים בכריכות הצמודות של השנאי זורמים בכיוונים מנוגדים, לא קיים שדה מגנטי קבוע (ישר), וליבת הפריט של השנאי לא מגיעה לרוויה. באופן אמפירי, ההוספה של שלושת המסננים חוסמי הזרם הישר לבדה, כפי שמוצג לעיל, מציגה ביצועים טובים רק עד 1500 מגה הרץ בערך, מאחר שחיבור ההארקה דרך המסננים אינו מושלם. עם זאת, ההוספה של המסננים חוסמי הזרם הישר עם קבלים נוספים במערך כפי שמופיע באיור 5 מאפשר לשנאי לפעול עד 4000 מגה הרץ, עם ביצועים סבירים, דומים לאלו המושגים באמצעות הארקה ישירה.

אימות ביצועי השנאי עם מסננים חוסמי זרם ישר

על מנת לאמת את הביצועים של +TCM3-452X בתצורה זו, השנאי נבדק על ידי השוואה בין פעולתו כשהוא לבד, לעומת פעולתו בהיותו מחובר עם מסננים חוסמי זרם ישר וקבלים כמוצג באיור 5. מתקן הבדיקה ששימש לבדיקת היחידה הנבדקת (DUT) עם המסננים חוסמי הזרם הישר מתואר באיור 6 והוא תואם למוצג באיור 5. הפסדי המעבר, הפסדי ההחזרה (return loss), חוסר איזון במופע וחוסר איזון במשרעת נמדדו באופן רציף (sweep) מ-1 עד 4000 מגה הרץ תוך כדי הפעלת פיצוי אוטומטי להארכת החיבורים (auto port extension) והמרת Z. הגרפים של השוואת הנתונים שנדגמו מכל אחד ממתקני הבדיקה מוצגים באיורים 7א’ ו- 7ב’.

תוצאות הבדיקות האלו מראות ביצועים להשוואה בין שני מתקני הבדיקה עם שלוש חריגות שכדאי לציין. ראשית, הפסדי המעבר של +TCM3-452X גדלים מעט החל ב-2000 מגה הרץ בערך עד 4000 מגה הרץ, כאשר הוא נתון בתצורה של מסננים חוסמי הזרם הישר לעומת התצורה שבה הוא לבד. עם זאת, בהנחה שהפסדי המעבר האופייניים של חיבורי Bias Tee על פני פס הרוחב הזה יכולים להיות בטווח מ- 0.3dB בערך עד יותר מ- 1dB, יש העדפה גדולה להפסדי המעבר שמציג +TCM3-452X אם מוסיפים לו מסננים חוסמי זרם ישר על פני ההפסדים שקיימים כתוצאה מהוספתם של שני חיבורי Bias Tee במוצא של המגבר.

שנית, חוסר האיזון במשרעת שמוצג על ידי +TCM3-452X עם מסננים חוסמי זרם ישר קטן יותר על פני חלק גדול מטווח התדירויות שנבדק. חוסר איזון זה מייצג שיפור בביצועים של השנאי בתצורה המוצעת בהשוואה לתצורה שבה הוא לבד. ולבסוף, כשהוא משמש עם מסננים חוסמי זרם ישר, מציג השנאי פגיעה מועטה בהפסדי המעבר על פני פס הרוחב מ- 2000 מגה הרץ עד 4000 מגה הרץ. בטווח זה, המידה שבה גישת התכנון תתאים תלויה בדרישות המיוחדות שמעמידה המערכת של המתכנן.

מסקנה:

השימוש ב-+TCM3-452X עם מסננים חוסמי זרם ישר במערך שמוצג באיור 5 מאפשר תכנון של מגברי Push-Pull ללא הצורך בחיבורי Bias Tee במוצא. גישת התכנון משיגה ביצועים טובים במארז במבנה בלון בטווח שבין 20 מגה הרץ ל-4000 מגה הרץ, ולכן היא מתאימה לטווח יישומים רחב של מגברי Push-Pull. ייתכן שאפשר למצוא פגיעה מועטה בהפסדי המעבר של השנאי בתדירויות מסוימות בחלק העליון של פס הרוחב, אך היתרונות שמתקבלים על ידי ביטול הצורך בחיבורי Bias Tee בתכנון של שרשרת האותות עדיין נראים כשיפורים פוטנציאליים משמעותיים בביצועי המערכת הכוללים, בחיסכון בשטח המעגל ובהפחתה בעלויות התכנון.