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28 de agosto de 2011

La adaptación de baja banda ISM Transmisores para la operación de banda alta. Nota de aplicación 4929. La adaptación de baja banda ISM, en Transmisores para la operación de banda alta

 

 

Resumen: El ISM de 300MHz a 450MHz, en los  transmisores de de banda RF, va servir al mercado europeo de 434MHz, así como las frecuencias más importantes en la banda de 260MHz a 470MHz EE.UU.. Esta nota de aplicación se analiza si un transmisor de 868 MHz puede ser creado a partir de 300 MHz a 450 MHz RF existente, para los productos de IC. Un transmisor de 868MHz serviría sin licencia de Europa de la banda de 868MHz a 870MHz. En concreto, el artículo aborda una serie de pruebas y análisis de la cantidad de energía puede ser transmitida a 868MHz de uno o más de los transmisores de RF de banda ISM diseñado para la banda de 300MHz a 450MHz ISM.


Una versión similar de este artículo apareció en el 27 de junio 2011 tema de EE Times revista.

Introducción

Banda baja (300 MHz a 450 MHz) ISM transmisores de RF, ya sirven al mercado europeo de 434MHz, así como las frecuencias más importantes de los EE.UU. de 260MHz a 470MHz banda. Esta nota de aplicación explica como un transmisor de 868 MHz puede ser creado a partir de RF existentes bajo la banda de dispositivos IC para servir a Europa sin licencia de 868 MHz a 870MHz banda. El artículo analiza específicamente una serie de pruebas y análisis de la cantidad de energía puede ser transmitida a 868 de un o más de los transmisores de RF de banda ISM diseñados para el rango de 300MHz a 450MHz.

El desafío teórico

La conmutación del amplificador de potencia (PA), en la mayoría de los transmisores de baja banda ISM, produce un segundo armónico de sólo 3 dB, por debajo de la frecuencia fundamental. Si algo de eficiencia y el poder puede ser sacrificado, ¿sería posible crear un 868MHz útil ASK transmisor de un circuito integrado diseñado para la operación de 434MHz? Dado que la densidad de ruido de fase es lo suficientemente bajo como para cumplir con los European Telecommunications Standards Institute (ETSI), fuera de la banda de las normas de emisión a 434 MHz en Europa sin licencia banda, la densidad de ruido de fase no cumpliría con los requisitos más estrictos para el 868 banda. Sin embargo, eso no quiere decir que no hay ningún valor en la elaboración de un 868MHz ASK transmisor. Algunos clientes tienen aplicaciones para la transmisión de energía muy bajo, o tal vez algunos se pueden hacer modificaciones al oscilador en los circuitos de baja banda sin la necesidad de un diseño completamente nuevo?

RF del espectro de un amplificador de potencia de conmutación

El PA de conmutación en la mayoría de ISM transmisores de RF de baja banda produce una serie periódica de 0,25 ciclos de trabajo pulsos, donde el período del pulso es el período de la frecuencia de la portadora. El espectro de frecuencias teórica de este tren de impulsos es un conjunto de líneas uniformemente espaciadas en múltiplos de la frecuencia de la portadora. La amplitud de cada línea se inclina por una sinc (sinx / x) la curva que contiene ceros en los múltiplos de 4 veces la frecuencia de la portadora. Figura 1 ilustra los primeros seis líneas del espectro de una frecuencia portadora de 434MHz. La amplitud de la componente de 868MHz (el segundo armónico) está a sólo 3 dB de atenuación de la componente fundamental de 434MHz. En la práctica, el amplificador de conmutación de las unidades de un circuito sintonizado , cuyas características dependen del rechazo deseado de los armónicos de la frecuencia fundamental. Si el circuito sintonizado tiene una relativamente ancha característica, se debe emitir el componente de 868 MHz con una potencia que no es mucho más que 3 dB por debajo de la frecuencia fundamental. Figura 1. Contribución de la energía teórica de la fundamental y los armónicos de un 25% del tren de ciclo de pulso de RF a 434MHz. La diferencia de 3 dB se verificó mediante la eliminación de los filtros armónicos de una MAX7044EVKIT y cambiar el sesgo de 62nH inductor, un valor que resuena con los cerca de 2pF 2.5pF de las capacidades parásitas. El circuito resonante formado por esta combinación LC tiene una amplia gama de ancho de banda . Por lo tanto, no atenúa el 868 armónica de manera significativa cuando la salida del PA se conecta directamente a una carga de 50Ω. La figura 2 muestra la traza de analizador de espectro de los componentes de 434MHz y 868MHz. El componente de 868 MHz es 3,5 dB más bajo que el componente de 434MHz, lo que representa sólo una reducción de 0,5 dB por el circuito de resonancia. Figura 2.Espectro de MAX7044EVKIT transmisor ISM con circuito tanque sintonizado a 434MHz. El siguiente paso es modificar los componentes de red de adaptación, para mejorar el segundo armónico 868 y atenuar la frecuencia fundamental de 434MHz.
Figura 1.  Contribución de la energía teórica de la fundamental y los armónicos de un 25% por ciclo de tren de pulsos de RF a 434MHz.


Figura 2.  Espectro de MAX7044EVKIT transmisor ISM con circuito tanque sintonizado a 434MHz.

Modificación de la antena de coincidencia Circuitos para la operación de 868 MHz

Igualación de la topología de red para el funcionamiento de 434MHz

El MAX7044EVKIT fue modificada para la operación de 868 MHz, usando la topología de los componentes ya existentes para el funcionamiento de 434MHz. La redes de adaptación de todos los equipos de la ISM EV transmisor RF en la banda de 300MHz a 450MHz tienen la misma topología que se muestra en la Figura 3 . Los designadores de referencia son idénticos a los de la MAX7044EVKIT. Figura 3. Coincidencia de la red y los designadores de referencia para el MAX7044EVKIT. Hay varias maneras de realizar una red de adaptación a una carga de 50Ω con esta topología. El método más sencillo es el de poblar la red de C2-L3-C6 pi como un filtro de paso bajo 50Ω para el rechazo de armónicos. A continuación, utilice la combinación de C1-L1 como una "L" de la red de banda estrecha transformación de impedancia 50Ω que convierte a una mayor impedancia. Con la excepción del MAX7044 yMAX7060 280MHz a 450MHz transmisor programable, todos Maxim ISM RF banda baja transmisores son los más eficiente de la energía cuando conducen una impedancia de 125Ω y 250Ω entre. El MAX7044 alcanza su mayor potencia en la banda baja (13dBm con 2.7V de alimentación) cuando se maneja una carga de 50Ω a 60Ω. Los niveles más bajos de energía y reducir las corrientes de alimentación se puede lograr mediante el aumento de la impedancia presentada a la salida del PA del transmisor. Para la operación normal en la banda baja, los inductores y los condensadores son escogidos para presentar la impedancia deseada a la AP en la frecuencia de diseño. Para el MAX7044EVKIT, los valores elegidos presentan un buen partido a 50Ω en 433.92MHz. El propósito de los experimentos que siguen es cambiar los componentes del juego en un 433,92 MHz kit de EV (para presentar un buen partido a 868MHz) y para reducir la transmisión poder a 434MHz.
Figura 3.  Coincidencia de la red y los designadores de referencia para el MAX7044EVKIT.


PA-salida del tanque circuito sintonizado a 868 MHz

El primer paso en el desarrollo de una red de adaptación de 868MHz es tratar de coincidir con la más simple posible, que es un circuito tanque 868 en la salida del PA, conectado a una resistencia de 50Ω. Este enfoque se utiliza para producir la línea de base del espectro radioeléctrico en la Figura 1. Sin embargo, en este caso el inductor sesgo se elige a resonar la capacitancia parásita de la PA en 868 pines (en lugar de 434 MHz). Para producir el esquema presentado en la Figura 4 , el inductor sesgo PA fue cambiado en el MAX7044EVKIT de 62nH (para un circuito de resonancia en 434 MHz) para 16nH (para un circuito de resonancia en 868 MHz). Además, los condensadores shunt fueron retirados de la red IP y el inductor en serie fue sustituida por una derivación 0Ω. Por último, la serie de condensadores C1 se cambió entre la red IP y el inductor sesgo de 47pF, efectivamente un bloque de CC en 868. Figura 4. Simple tanque circuito de juego de red para el MAX7044EVKIT a 868MHz. Medición de la potencia de la frecuencia de 434MHz fundamental y los armónicos de los cuatro primeros se enumeran a continuación. El espectro de los componentes de 434MHz y 868MHz se muestra en la Figura 5 . Las frecuencias se han redondeado al más próximo de 1MHz. V DD = 2,7 V, I = 16.83mA, me PLL = 2.06mA, que PA = I - I PLL = 14.77mA P (434 MHz) = 9,0 dBm P (868) = + 8.65dBm P (1302MHz) = 4,5 dBm P (1736MHz) =-3.0dBm total eficiencia PA (potencia en las cuatro frecuencias / (V DD × I PA )) = 46,6% La eficiencia de 868 PA = 18,4% Figura 5. Espectro de MAX7044EVKIT con circuito tanque sintonizado a 868. Debido a que el ancho de banda del circuito tanque 868 es más estrecho que el ancho de banda del circuito tanque 434 MHz (la capacitancia parásita sigue siendo el mismo, por lo que el inductor debe reducirse por un factor de 4), no es suficiente el rechazo de la frecuencia fundamental de 434MHz para el poder en lo fundamental y segundo armónico casi iguales. Este simple cambio en el circuito tanque mejora la relación potencia del componente de 868MHz a 434MHz en el componente de aproximadamente 3 dB.
Figura 4.  Simple tanque circuito de juego de red para el MAX7044EVKIT a 868MHz.




Figura 5.  Espectro de MAX7044EVKIT con circuito tanque sintonizado a 868MHz.

Paso alto del partido de 868MHz

El siguiente paso es cambiar la red IP de paso bajo a una red de paso alto para atenuar aún más el componente de 434MHz. El inductor 16nH PA prejuicios y el condensador en serie (47NH) no se modificaron. La red IP, normalmente se utiliza como un filtro de paso bajo para un mayor rechazo de armónicos, se cambió a una red de paso alto L simple que transforma 50Ω en el conector de la antena a 200Ω en el pin de salida del PA. La red L sencillo fue elegido para este paso, en lugar de una completa red IP, para reducir al mínimo el número de cambios de componentes adicionales y determinar la efectividad de este cambio. Debido a que la carga vista a la salida del PA con la red de L es 200Ω (en lugar de 50Ω), el TX-alimentación de corriente de drenaje debe ser menor de lo que es para una carga de 50Ω. Figura 6. Paso alto de impedancia L transformación de la red. Las medidas de potencia de la frecuencia de 434MHz fundamental y los armónicos de los cuatro primeros se enumeran a continuación. El espectro de los componentes de 434MHz y 868MHz se muestra en la Figura 7 . Las frecuencias se han redondeado al más próximo de 1MHz. V DD = 2.7V, IDC = 18.1mA, me PLL = 2.06mA, que PA = IDC-I PLL = 16.04mA P (434 MHz) = 2,5 dBm P (868) = + 11.2dBm P (1302MHz) = 4,0 dBm P (1736MHz) =-3.2dBm total radiada de eficiencia (las cuatro frecuencias) = 41,5% El 868 radiada eficiencia = 30.4% Figura 7. Espectro de la MAX7044EVKIT con circuito tanque 868 y la red de paso alto L. La L-pasa-altos de la red coinciden atenúa el componente de 434MHz y aumenta considerablemente la eficiencia del componente de 868 MHz deseado con el 30,5%. Esto demuestra que una señal de 868MHz con más de 10 dBm de potencia de transmisión en una antena de 50Ω se pueden producir con unos simples cambios en la red existente a juego.
Figura 6.  Paso alto de impedancia L transformación de la red.



Figura 7.  Espectro de la MAX7044EVKIT con circuito tanque 868 y la red de paso alto L.

Resumen de la simple red de adaptación, los cambios

El inductor de sesgo a la MAX7044EVKIT fue sustituido por un valor menor que forma un circuito resonante con la combinación de IC y la capacidad a bordo de 868MHz. Esto hizo que los componentes de 434MHz y 868MHz de igualdad en el poder. Sustitución del filtro de paso alto con una armónica sencilla L-juego de la red mejora el componente de 868MHz a 434MHz por otro -9, por lo que 868 es la frecuencia dominante de transmisión. Hay una pequeña pérdida en la eficiencia energética, pero este circuito es aún la transmisión de una señal de 868 MHz a más de 10 dBm. Hay más cambios en el circuito que se puede hacer para mejorar aún más el componente de 868MHz con respecto a la frecuencia de 434MHz fundamental y sus armónicos superiores.

Sugerencias para trabajos futuros

Estos sencillos cambios demostrar que los componentes externos puede ser modificado para aumentar significativamente la potencia de segundo armónico de un transmisor de IC (en comparación con la frecuencia fundamental), mientras que el mantenimiento de un alto nivel de transmisión de la señal. Este es un buen comienzo, pero con más obstáculos que superar para poder transmitir una señal de que cumple con las regulaciones que operan en las bandas libres de licencia de 868 MHz en Europa y 915 en los EE.UU.

Mejora adicional del componente de 868 MHz

La mejora del componente de 868 MHz es mejorada por el aumento de la Q del circuito resonante, formado por el inductor de la parcialidad y la capacitancia a tierra de la PA. Esto puede hacerse mediante la adición de un condensador a tierra en el pin de salida del PA y la reducción del sesgo inductor. En esta investigación, el inductor de sesgo se redujo a 16nH a resonar con la capacitancia parásita en el tablero y en la IC. El inductor puede ser reducido a la gama 5nH a 10NH y la capacidad de derivación total aumentó a cerca de 6PF, antes de la Q descarga de los componentes individuales se reduce significativamente la eficiencia global. rechazo 434MHz El paso alto L-red de adaptación se puede mejorar con sólo añadir un derivación bobina en la posición C6 de la figura 6 para formar una red pi paso alto y ajustando los valores de inductor. La selección cuidadosa de los tres componentes de la red pi-debería aumentar el rechazo total del componente de 434 MHz a 25 dB o 30 dB. Esto es aún lejos del rechazo 46dB necesarios para satisfacer el requisito de ETSI que todas las emisiones espurias por debajo de-36dBm, si la señal de 868 MHz de transmisión es de +10 dBm. Hay métodos más sugerencias para mejorar el rechazo hacia el final de esta nota de aplicación.

Mantenimiento de la eficiencia del transmisor

Las modificaciones hechas hasta el momento se concentran en mejorar el componente de 868MHz y 434MHz rechazar el componente.Estos cambios reducen la eficiencia de la AP desde casi el 50% para una transmisión de 434 MHz a cerca de 30% para una transmisión de 868MHz. Sin embargo, nuevos intentos de rechazar la señal de 434MHz puede degradar aún más la eficiencia. Las primeras mediciones en el desarrollo de redes de adaptación para las transmisiones de 434MHz mostró que la fuga de corriente continua aumenta cuando la red de adaptación de 434MHz fue desajustado. Teniendo en cuenta que un filtro típico rechaza las frecuencias mediante la presentación de un partido de los pobres en esas frecuencias, es sorprendente que el consumo de corriente en estas pruebas no aumentó más. ¿Cómo puede el rechazo de 434MHz mejorar aún más, sin causar más aumento de la corriente disminuye y el consiguiente en la eficiencia?

El enfoque Diplexer

Un diplexor se utiliza normalmente en doble canal receptor de sistemas para conectar una antena de recepción común a dos receptores, cada uno sintonizado en una frecuencia diferente. El diplexor formas un buen partido a la antena, tanto de las dos frecuencias de diseño.Si la antena de recepción se sustituye por el PA, ahora hay un camino por separado para el componente de 434MHz y el componente de 868MHz. La ruta de 868 se conecta a una antena de transmisión y la ruta de 434 MHz se conecta a una carga resistiva en el circuito .La ventaja de esta configuración a través de un filtro de 868 sencilla es doble: el componente de 434MHz se iguala (manteniendo así el consumo de corriente de baja), y también se envía a una carga que no irradia. Si la antena en el puerto 868 está correctamente emparejado y ajustado, el rechazo de la radiación 434MHz componente va a ser muy fuerte. Para reducir aún más el suministro de corriente a 434 MHz, el concepto diplexor puede ser modificado para presentar una impedancia mayor que el componente de 434MHz a 868MHz el componente. No es un defecto potencial de este enfoque, que supone un lineal de la señal de origen con una carga de 50Ω.El PA, que tiene una salida del amplificador de conmutación, no se ajusta a ningún modelo lineal.

Revisión del modelo de amplificador conmutado

El espectro de la figura 1 se basa en la salida sin filtrar de la Autoridad Palestina, que es un 25% por ciclo de onda cuadrada a 434MHz.La salida de la AP es un corto circuito el 25% del período de 434MHz. Cuando la red de adaptación se adapta de forma correcta, el cortocircuito se produce en el punto más bajo de una onda senoidal de 434MHz. Esto está diseñado para que la corriente "bombea" el circuito de resonancia se produce en el mínimo de tensión (cerca de 0V o tierra). Comportamiento previsto de la AP se basa en el modelo del circuito de esta forma de onda de conmutación, que está conectado a un circuito de resonancia con una carga resistiva. Sin embargo, el modelo necesita ser modificado para que el circuito de resonancia a 868MHz. Se puede mostrar que el componente de 434MHz es rechazada por el circuito de 868MHz sin un gran aumento en la oferta actual. Esto puede explicar por qué las mediciones de corriente de drenaje aumentó más cuando la red de adaptación se desajustado de 434MHz. (Las mediciones aumentó en un 10% a 20%, en comparación con las mediciones de la red de adaptación-868 experimentos.) Tal vez hay un requisito mínimo de corriente en el segundo armónico de 434MHz?

La reducción del ruido de fase

El requisito de ETSI de que todas las transmisiones espurias por debajo de un nivel de potencia absoluta de-36dBm impone una restricción no sólo en la radiación de armónicos, sino también en el ruido de fase del transmisor. En Europa, la banda de 434 MHz sin licencia está entre 433.05MHz y 434.79MHz. (Centro de la banda es 433,92 MHz, lo que explica por qué esta frecuencia en particular es muy utilizado.) Fuera de los límites de banda y los rayos no pueden ser superiores a-36dBm. En los bordes, el mayor contribuyente de la MAX7044 es el ruido de fase de la frecuencia de la portadora. El MAX7044 es la densidad de ruido de fase se especifica en -92dBc/Hz, donde "dBc" significa "dB por debajo de la portadora." De acuerdo a los requisitos de ETSI, el poder espurio tiene que ser medido en un ancho de banda de 100 kHz utilizando un detector de cuasi-pico, que produce la medición misma potencia en la señal ruido de fase como un detector de potencia media. Adición de 50 dB de la relación logarítmica entre el ancho de banda de medición de 100 kHz y el ancho de banda de 1 Hz en la especificación de la densidad trae la potencia medida en un ancho de banda de 100 kHz hasta-42dBc. Si la potencia medida se limita a-36dBm, el MAX7044 puede transmitir 6 dBm (max) a 434 MHz en Europa. En el rango de frecuencia de 868MHz a 870MHz, la banda más ancha permisible es 868.0MHz a 868.6MHz. Transmisores no puede emitir más de-36dBm de potencia media fuera de esta banda. El poder fuera de la banda se mide en un ancho de banda de 100 kHz, ya que se encuentra en 434MHz, pero la banda se encuentra 600kHz en lugar de 1.74MHz. Esta es una restricción casi 3 veces más estrecho en 868 que en 434MHz. Además, el segundo armónico de 434MHz, 868MHz, que es-tiene una densidad de ruido de fase que aumenta con el cuadrado de la frecuencia. Esto significa que será superior a 6 dB de 868 MHz que es a 434MHz. La densidad de ruido de fase de una portadora de 434MHz transmite desde el MAX7044 es de aproximadamente -89dBc/Hz a 300kHz de la compañía y -83dBc/Hz a 868MHz. En un ancho de banda de 100 kHz, la potencia media a 300 kHz es [-83 + (10log 10 (100 kHz))] =-33dBc. Esto limita la potencia que se transmite el MAX7044 está en 868 por debajo de-3dBm. El oscilador MAX7044 es relativamente alto de ruido de fase, los resultados de densidad de un diseño que permite que el VCO frecuencia en el interior del dispositivo para ser sintonizado desde 300MHz a 450MHz.Esta densidad de ruido de fase es aceptable en los EE.UU. sin licencia banda de 260MHz a 470MHz, porque la radiación espuria-requisitos en frecuencias cercanas a la frecuencia de la portadora no son tan restrictivas como en Europa. Con el fin de transmitir a los niveles de potencia cerca de 10 dBm en la banda de 868MHz Europea del VCO en el MAX7044 tiene que cambiar a una más estrecha y baja ruido de fase arquitectura, como un oscilador LC.

Conclusiones

Con simples cambios en la red de adaptación, es posible que la energía de conmutación de un amplificador de 434 MHz transmisor irradia más en 868 que en 434MHz. En este artículo se discute cómo un MAX7044EVKIT con un circuito tanque de 868 L y la transformación de paso alto impedancia producido un portador de 868 a 11 dBm. En esta situación, la compañía fue de casi 868 -9 mayor en el poder de la frecuencia fundamental de 434MHz. La eficacia de PA en 868 fue de 30%. Más rechazo de 434MHz que se necesita para satisfacer los límites de EE.UU. y Europa espurios radiación. Sin embargo, diferentes topologías y métodos de modelización puede mejorar el rechazo del componente de 434MHz. Una adaptación de las rutas clásicas diplexor el componente de 868MHz a la antena y el componente de 434 MHz en una carga ficticia. Un cambio en el circuito de sintonía en el modelo de amplificador de conmutación de conduce a una mejor selección de la red de 868MHz a juego. El VCO puede ser modificado para producir una menor densidad de ruido de fase, con el fin de satisfacer la ETSI de radiación espuria de los límites en la banda de 868MHz.

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