פיזור המסתורין מעל שנאי ת"ר חלק 3: משמעות הפרמטרים של שנאי ת"ר

בית » New-Tech Magazine » פיזור המסתורין מעל שנאי ת”ר חלק 3: משמעות הפרמטרים של שנאי ת”ר

הקדמה

שני החלקים הראשונים של המאמר ‘פיזור המסתורין מעל שנאי ת”ר’ הציגו סקירה בסיסית של התיאוריה סביב שנאי ת”ר (RF) והיישומים שלהם וכן, העלו דיון עמוק יותר בעניין שנאי Balun לת”ר. חלק זה מספק הסבר לגבי פרמטרי הביצועים הבולטים יותר של שנאי ת”ר ותרשימי נתונים שמציגים את הדרך שבה קובעים את הפרמטרים האלו. הכרת הפרמטרים העיקריים האלו חיונית בעת בחירת שנאים עבור יישום, וכן כאשר עורכים השוואה בין דגמים שונים של שנאים.

פרמטרים עיקריים של שנאי ת”ר

שנאי ת”ר הם התקנים רחבי פס בעלי מאפייני הפעלה שהם מעבר לקבוצה צרה של תדירויות. קיימים כמה תחומים שבהם הביצועים של שנאי ת”ר לעומת התדירות שונים מהמצב המקובל בתחום או מהמצב הרצוי. כאשר מדובר בשנאי ת”ר, אזור הפעולה הרצוי נקרא אזור פס הביניים, שהוא מוגדר על ידי ההתנהגות של השנאי באזור התדירות הנמוכה ובאזור התדירות הגבוהה. ואולם, במקרים מסוימים אפשר להשתמש בשנאי ת”ר מחוץ לאזור פס הביניים, בתלות בדרישות התכנון ובדרישות היישום. לכן, יש לעתים בלבול ביחס לרוחב פס הפעולה המדויק של שנאי נתון, וכן ביחס לתנאי הפעולה אשר מהם נגזרים המפרטים הטכניים של השנאי.

זו הסיבה שלעתים קרובות, העיון בתרשימי הביצועים שהתפרשו על פני טווחים של תדירות וטמפרטורה, מועילה בעת קביעת הערכים האלו. אחד ההיבטים החשובים הטמון בהצגת הביצועים של שנאי ת”ר הוא שעקומות הפסדי המעבר לעומת תגובת התדר מוצגות לעתים קרובות בקנה מידה לוגריתמי עבור התדר ועבור ההפסדים (הנחתה). אין זה בלתי רגיל שההפסדים יהיו מוצגים כערך חיובי, או שההנחתה תהיה מוצגת כערך שלילי. כתוצאה מכך, הפסדים של שנאי ת”ר לעומת תדירות יכולים להופיע כעקומת “אמבטיה” (bathtub curve) או כעקומת אמבטיה הפוכה, בתלות בתצוגה (עיין באיור 1).

הפסדי מעבר לעומת תדירות של שנאי ת”ר

איור 1: ממוצע הפסדי מעבר של השנאי לת”ר TCM1–83X+ של Mini–Circuits

יחס עכבות

קיימות כמה שיטות לבדיקת שנאי ת”ר. השנאים של Mini–Circuits נבדקים בקונפיגורציות Balun באמצעות מערכת עכבות (אימפדאנסים) של 50 אוהם. המרת Z (המרת עכבות) מיושמת על נתח רשתות או על הנתונים, תוך כדי שימוש בחישובים לתיקון העכבה של השנאי, בין אם היא 75 אוהם, 100 אוהם וכיו”ב. המרה זו מבוצעת עם נתחי רשת לביצועים גבוהים עם חיבורים של 50 אוהם.

את יחס העכבות מבטאים בביטוי X:Y כאשר X הוא העכבה של חיבור המשני ו- Y הוא העכבה של חיבור הראשוני. לדוגמה, אם העכבה של חיבור המשני היא 100 אוהם והעכבה של חיבור הראשוני היא 50 אוהם, יחס העכבות כתוצאה מכך, אמור להיות 2:1. חיבור הראשוני מיועד בדרך כלל להיות חיבור המבוא, והחיבור המשני מיועד להיות חיבור המוצא. בתלות בדרישות היישום או בדרישות הלקוח, אפשר להחליף בין הייעוד של החיבור הראשוני לבין הייעוד של החיבור המשני.

הפסדי מעבר

הפסדי המעבר של שנאי ת”ר הם הערך של הספק האות שהתפזר או לחלופין אבד בתוך ההתקן, בייחוס מהספק האות במבוא להספק האות במוצא. לכל השנאים הממשיים יש הפסדי מעבר ובגלל האופי המרוכב של תגובת התדר של שנאי ת”ר, הנטייה של ההתקנים האלו היא להציג הפסדי מעבר מוגדלים בגבולות מסוימים נודעים של תדירויות עליונות ותחתונות.

לחומר הליבה של שנאי ת”ר יש תכונות של חדירות (פרמאביליות) מגנטית, שהן פונקציה של הטמפרטורה. לעתים, מתארים את הפסדי המעבר של שנאי ת”ר כתרשים של הפסדי מעבר לעומת התדירות בטמפרטורות מסוימות. דף הנתונים של דגם נתון, בדרך כלל, מספק תיאור של טווח הטמפרטורות שבו נמדדו הפסדי מעבר מסוימים.

מקובל לראות שתרשים של הפסדי מעבר של התקנים אלו יציג תדירות בקנה מידה לוגריתמי במקום בקנה מידה ליניארי, מפני ששנאים בדרך כלל הם התקני פס רחב שמכסים כמה אוקטבות של תדירויות. לדוגמה, איור 1 מציג את ביצועי הפסדי המעבר של שנאי לעומת תדירות בשלושה תחומי טמפרטורה.

בדרך כלל רצוי שהפסדי המעבר של שנאי ת”ר יהיו נמוכים ככל האפשר בטווח תדירויות הפעולה. הדרישה המדויקת להפסדי מעבר תלויה במעגל. לדוגמה, שנאי עם הפסדי מעבר גבוהים בשרשרת אותות של משדר, יקטין את הנצילות הכוללת של המשדר. בנוסף, ההפסדים מהאות יתפזרו כחום ויגרמו לירידה בביצועים שתושרה מהחום או לכשל של ההתקן. בשרשרת אותות של מקלט, שנאי ת”ר עם הפסדי מעבר נמוכים יניב רגישות טובה יותר של המקלט.

הפסדי מעבר לעומת תדירות של TCM1-83X+

איור 2: ממוצע הפסדי המעבר של שנאי ת”ר TCM1–83X+ של Mini–Circuits

הפסדי פס הביניים

אזור פס הביניים של שנאי ת”ר מתייחס לטווח התדירויות שבו ההתקן מציג את הפסדי המעבר הנמוכים ביותר, בזמן שהעקומה נשארת שטוחה באופן יחסי על פני הטווח. לעתים קרובות מתייחסים לרמת הפסדי המעבר באזור פס הביניים כאל הפסדי פס הביניים ובאופן אופייני הם הפסדי המעבר הנמוכים ביותר של ההתקן. בכמה יישומים רחבי פס, הפסדי פס הביניים יכולים להיות בעלי חשיבות קריטית, כאשר ביישומים אחרים, אפשר להשתמש בשנאי ת”ר בתדירויות פעולה מחוץ לאזור פס הביניים.

חשוב לציין שאזור פס הביניים, בדרך כלל, אינו “האמצע” של הביצועים הנצפים של שנאי ת”ר על פני התדירות, עובדה שקל מאוד לא להבין, בהינתן השיטות המקובלות של שרטוט תרשימי ביצועים של הפסדי מעבר מול תדירות בקנה מידה לוגריתמי.

רוחב פס 3dB

ההפסדים של שנאי ת”ר מתוארים לעתים קרובות כתגובת תדר פרבולית. פירושו של דבר, שיש עלייה משמעותית בהפסדי המעבר בקצה התחתון ובקצה העליון של טווח התדירויות.רצוי לדעת מתי הפסדי המעבר של שנאי נמוכים מערך סטנדרטי באופן יחסי, כמו למשל נקודת 3dB הנפוצה בשימוש. לכן, רוחב הפס 3dB של שנאי ת”ר הוא טווח התדירות שבו הפסדי המעבר של ההתקן נמוכים מ- 3dB ביחס להפסדי המעבר הנמוכים ביותר של ההתקן (הפסדי פס הביניים). רוחב הפס 3dB של שנאי ת”ר משתנה על פי הטמפרטורה, והטמפרטורה השוררת מחוץ לטווח טמפרטורות הפעולה המוגדר עלולה להציג ירידה בערכי רוחב הפס של 3dB.

הפסדי החזרה

כאשר המוצא של שנאי ת”ר מחובר לעומס עם תיאום מושלם ואות מושרה במבוא, קיים תמיד אות משוקף. היחס בין ההספק של האות המשוקף להספק של האות במבוא נודע בשם הפסדי החזרה. מדידת ערכי הביצועים שימושית לקביעת העוצמה של האותות המשוקפים שייווצרו במבוא של השנאי, מאחר שכמה מבין ההתקנים והמעגלים שנמצאים בשרשרת האותות לפני השנאי עלולים להיות רגישים לתופעות בלתי רצויות שייגרמו על ידי אותות משוקפים אלו.

הפסדי החזרה במבוא של שנאי TCM1-83X+ על פני תדירות

איור 3: הפסדי החזרה ממוצעים במבוא שנאי ת”ר TCM1–83X+ של Mini–Circuits

איזון (חוסר איזון) במשרעת

במקרה של יציאות הפרשיות של שנאי ת”ר, איזון המשרעת הוא ההפרש בין העוצמה הקיימת ביציאה הפרשית אחת לבין זו הקיימת ביציאה האחרת. ברבים מבין מעגלי ת”ר, רצוי שהספק האותות בקווים מאוזנים יהיה קרוב ככל האפשר לשוויון על מנת לקבל ביצועים הפרשיים מלאים וכדי להקטין ככל האפשר את הזרמים התועים (stray) הקיימים בנתיב האותות.

חוסר איזון (איזון) במשרעת על פני תדירות של שנאי TCM1-83X+

איור 4: חוסר איזון ממוצע במשרעת של שנאי ת”ר TCM1–83X+ של Mini–Circuits

איזון (חוסר איזון) במופע

איזון המופע (פאזה) של שנאי ת”ר הוא מדד לגודל של הפרש המופע הקיים בין שני המוצאים ההפרשיים של ההתקן, כאשר הוא מיוחס ל- 180 מעלות. האורך של נתיב האותות דרך שנאי ת”ר הוא גורם עיקרי במופע של המוצא שלו. לכן, לתיאום של אורך נתיב האותות בין שתי היציאות תהיה חשיבות עליונה להשגת איזון טוב של המופע. לדוגמה, לשנאי balun ת”ר אידיאלי לא יהיה כל הפרש בין משרעות המוצא שלו, והאותות במוצא יהיו בהפרש מופע של 180 מעלות, בדיוק. במקרה כזה, יחס ה- CMRR של שנאי balun אידיאלי יהיה אינסופי. בהתקן של העולם הממשי, יש חוסר איזון מסוים במשרעת ובמופע. יחס דחיית אות משותף (CMRR) במקרה זה הוא סופי ומהווה פונקציה של חוסר איזון במופע וחוסר איזון במשרעת.

חוסר איזון (איזון) במופע של TCM1-83X+ על פני תדירות

איור 5: חוסר איזון ממוצע במופע של שנאי ת”ר TCM1–83X+ של Mini–Circuits

יחס דחיית אות מצב משותף (CMRR)

כמות הניחות באותות מצב משותף שנוצרת מהמבוא אל המוצא, שהוזרקו בחיבורי port הפרשיים של שנאי (בדרך כלל שנאי balun) נודעת כיחס דחיית אות מצב משותף (CMRR). בחלק ממעגלי ת”ר, רצוי להקטין את הכמות של אות מצב משותף מצומת אחת לצומת אחרת. במקרים אלו, בחירה בשנאי ת”ר (כלומר שנאי balun) עם יחס CMRR גבוה, יכולה לעזור בהשגת מטרה זו.

זרם ישר מרבי

אם זרם מעבר לערך סף מסוים יעבור דרך שנאי ת”ר, השדה המגנטי בתוך הליבה עלול לחרוג מהטולראנסים (אפיצויות) של הרוויה, והשנאי עלול להפוך לרווי. במצב זה, ביצועי ת”ר של ההתקן יהיו נחותים. קיימות שיטות לשיפור יכולת נשיאת הזרם האפשרית של שנאי ת”ר, באמצעות תבניות של כריכות ליצירת שדות מגנטיים הפוכים.

איור 6: תרשים של רוויה בשנאי ת”ר בזרם ישר ובהספק ת”ר בכניסה

הספק מרבי בת”ר וטמפרטורת קירי

הפעלה של שנאי ת”ר מעבר להספק ת”ר מרבי מוגדר, עלולה להוביל לרוויה של הליבה, להפסדי מעבר מוגדלים ואף לאפשרות של נזק תמידי כתוצאה מחימום יתר. טמפרטורת קירי של ליבות מגנטיות היא הטמפרטורה שבה התכונות המגנטיות של החומר נפגעות. הגדרות ההספק והטמפרטורה של שנאי ת”ר נקבעות בדרך כלל, על מנת להבטיח שהטמפרטורות יישארו בוודאות מתחת לטמפרטורת קירי. מאחר שההתנגדות של כריכות המוליכים בשנאי תלויה אף היא בטמפרטורה, סף הספק הת”ר המרבי לפני חימום יתר יהיה פונקציה של טמפרטורה, ויש לזכור זאת כשמשתמשים בשנאי ת”ר בתנאי סביבה קיצוניים.

טמפרטורת הפעלה

האופן שבו מגדירים את טמפרטורת ההפעלה של שנאי ת”ר תלויה במידה רבה ביישום. בדרך כלל ערך זה מוגדר על מנת למנוע הפעלה מעל או מתחת לטווח הטמפרטורה המתאים. כפי שהוזכר כבר, בטמפרטורות מסוימות, לשנאי ת”ר עלולה להיגרם ירידה בביצועים ואפילו נזקים תמידיים. חשוב להבין את המדד הזה, בהתחשב בעובדה ששנאי ליבה מגנטית רגישים מאוד לשינויים בביצועים כפונקציה של הטמפרטורה.

הגובה המרבי של שנאי

בטכנולוגיות רבות, ייצור של שנאי ת”ר עדיין נעשה באופן ידני או שהן שונות בטולראנסים הפיזיים כגון בגודל הליבה, בהדבקה בדבק אפוקסי, בעובי של כיפת השנאי העליונה וכיו”ב. לכן, גובה מרבי של שנאי מספק מדד שבו אפשר להשתמש על מנת לוודא שקיים מרווח מתאים בתוך מכלול או בתוך מארז עבור התקנים אלו. מאחר שמפרט הגובה המרבי מבוסס רק על הפריט הגבוה ביותר במתאר פני השטח של המארז, גובה השנאי בפועל יהיה בדרך כלל קטן יותר מזה המצוין במפרט.

מסקנות

כאן מסתיים החלק השלישי של הסדרה ‘פיזור המסתורין מעל שנאי ת”ר’ שדן בפרמטרים החשובים של שנאי ת”ר. החלק האחרון (חלק רביעי) יצלול לתוך שיטות בחירה של שנאי ת”ר מנקודת מבט כללית ויציע כמה המלצות ייחודיות ליישום.