บทความนี้อธิบายถึงการออกแบบตัวแปลง RF พร้อมด้วยแผนภาพบล็อก โดยอธิบายถึงการออกแบบตัวแปลง RF ขึ้น (RF upconverter) และตัวแปลง RF ลง (RF downconverter) นอกจากนี้ยังกล่าวถึงส่วนประกอบความถี่ที่ใช้ในตัวแปลงความถี่ C-band นี้ การออกแบบดำเนินการบนแผงวงจรไมโครสตริปโดยใช้ส่วนประกอบ RF แบบแยกชิ้น เช่น ตัวผสมสัญญาณ RF, ออสซิลเลเตอร์ภายใน, MMIC, ตัวสังเคราะห์สัญญาณ, ออสซิลเลเตอร์อ้างอิง OCXO, แผ่นลดทอนสัญญาณ เป็นต้น
การออกแบบตัวแปลงความถี่ RF ขึ้น
ตัวแปลงความถี่ RF หมายถึงการแปลงความถี่จากค่าหนึ่งไปเป็นอีกค่าหนึ่ง อุปกรณ์ที่แปลงความถี่จากค่าต่ำไปเป็นค่าสูงเรียกว่าตัวแปลงความถี่ขึ้น (up converter) เนื่องจากทำงานที่ความถี่วิทยุ จึงเรียกว่าตัวแปลงความถี่ขึ้น RF โมดูลตัวแปลงความถี่ขึ้น RF นี้จะแปลงความถี่ IF ในช่วงประมาณ 52 ถึง 88 MHz ไปเป็นความถี่ RF ในช่วงประมาณ 5925 ถึง 6425 GHz ดังนั้นจึงเรียกว่าตัวแปลงความถี่ขึ้น C-band มันถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของตัวรับส่งสัญญาณ RF ที่ติดตั้งใน VSAT ซึ่งใช้สำหรับการสื่อสารผ่านดาวเทียม
รูปที่ 1 : แผนภาพบล็อกของตัวแปลงสัญญาณ RF ขึ้น (RF up converter)
เรามาดูการออกแบบส่วนตัวแปลงความถี่ขึ้น (RF Up converter) พร้อมคำแนะนำทีละขั้นตอนกันครับ
ขั้นตอนที่ 1: ค้นหามิกเซอร์, ออสซิลเลเตอร์ภายใน, MMIC, ซินเธไซเซอร์, ออสซิลเลเตอร์อ้างอิง OCXO และแผ่นลดทอนสัญญาณที่มีจำหน่ายทั่วไป
ขั้นตอนที่ 2: คำนวณระดับกำลังไฟฟ้าในแต่ละช่วงของวงจร โดยเฉพาะที่อินพุตของ MMIC เพื่อไม่ให้เกินจุดบีบอัด 1dB ของอุปกรณ์
ขั้นตอนที่ 3: ออกแบบและติดตั้งตัวกรองแบบไมโครสตริปอย่างเหมาะสมในแต่ละขั้นตอน เพื่อกรองความถี่ที่ไม่ต้องการออกหลังจากมิกเซอร์ โดยพิจารณาจากช่วงความถี่ที่คุณต้องการให้ผ่านไป
ขั้นตอนที่ 4: ทำการจำลองโดยใช้โปรแกรม Microwave Office หรือ Agilent HP EEsof โดยกำหนดความกว้างของตัวนำให้เหมาะสมตามที่ต้องการในแต่ละจุดบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับวัสดุฉนวนที่เลือกตามความถี่คลื่นวิทยุ (RF) ที่ต้องการ อย่าลืมใช้วัสดุป้องกันคลื่นรบกวนเป็นตัวหุ้มในระหว่างการจำลอง ตรวจสอบค่าพารามิเตอร์ S ด้วย
ขั้นตอนที่ 5: สั่งทำแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และบัดกรีชิ้นส่วนที่ซื้อมาเข้ากับแผ่นวงจร
ดังแสดงในแผนภาพบล็อกในรูปที่ 1 จำเป็นต้องใช้แผ่นลดทอนสัญญาณที่เหมาะสมขนาด 3 dB หรือ 6 dB คั่นกลางเพื่อรองรับจุดบีบอัด 1 dB ของอุปกรณ์ (MMIC และมิกเซอร์)
ควรใช้ Local Oscillator (LO) และ Synthesizer ที่มีความถี่เหมาะสม สำหรับการแปลงความถี่ 70MHz เป็น C band แนะนำให้ใช้ LO ที่ 1112.5 MHz และ Synthesizer ที่ช่วงความถี่ 4680-5375MHz หลักการทั่วไปในการเลือก Mixer คือ กำลังของ LO ควรมากกว่าระดับสัญญาณอินพุตสูงสุดที่ P1dB 10 dB GCN คือ Gain Control Network ที่ออกแบบโดยใช้ตัวลดทอนสัญญาณแบบไดโอด PIN ซึ่งจะปรับการลดทอนตามแรงดันอนาล็อก อย่าลืมใช้ Band Pass และ Low Pass Filter ตามความจำเป็นเพื่อกรองความถี่ที่ไม่ต้องการและปล่อยให้ความถี่ที่ต้องการผ่านไปได้
การออกแบบตัวแปลงสัญญาณ RF แบบดาวน์คอนเวอร์เตอร์
อุปกรณ์ที่แปลงความถี่จากค่าสูงไปเป็นค่าต่ำเรียกว่า ดาวน์คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากทำงานที่ความถี่วิทยุ จึงเรียกว่า รีเวิร์ส ดาวน์คอนเวอร์เตอร์ (RF down converter) มาดูการออกแบบส่วนประกอบของ RF down converter ทีละขั้นตอนกัน โมดูล RF down converter นี้จะแปลงความถี่ RF ในช่วง 3700 ถึง 4200 MHz ไปเป็นความถี่ IF ในช่วง 52 ถึง 88 MHz ดังนั้นจึงเรียกว่า ซี-แบนด์ ดาวน์คอนเวอร์เตอร์ (C-band down converter)
รูปที่ 2 : แผนภาพบล็อกตัวแปลงสัญญาณ RF ลดความถี่
ภาพที่ 2 แสดงไดอะแกรมบล็อกของตัวแปลงความถี่ลงย่าน C โดยใช้ส่วนประกอบ RF มาดูการออกแบบส่วนตัวแปลงความถี่ลงย่าน RF ทีละขั้นตอนกัน
ขั้นตอนที่ 1: ได้เลือกมิกเซอร์ RF สองตัวตามการออกแบบเฮเทอโรไดน์ ซึ่งแปลงความถี่ RF จากช่วง 4 GHz เป็น 1 GHz และจากช่วง 1 GHz เป็น 70 MHz มิกเซอร์ RF ที่ใช้ในการออกแบบคือ MC24M และมิกเซอร์ IF คือ TUF-5H
ขั้นตอนที่ 2: ได้มีการออกแบบตัวกรองที่เหมาะสมเพื่อใช้ในขั้นตอนต่างๆ ของตัวแปลงสัญญาณ RF ลงความถี่ ซึ่งได้แก่ ตัวกรองความถี่ผ่าน (BPF) ช่วง 3700 ถึง 4200 MHz, ตัวกรองความถี่ผ่าน (BPF) ช่วง 1042.5 +/- 18 MHz และตัวกรองความถี่ต่ำ (LPF) ช่วง 52 ถึง 88 MHz
ขั้นตอนที่ 3: ใช้ไอซีขยายสัญญาณ MMIC และแผ่นลดทอนสัญญาณในตำแหน่งที่เหมาะสม ดังแสดงในแผนภาพบล็อก เพื่อให้ได้ระดับกำลังไฟที่เอาต์พุตและอินพุตของอุปกรณ์ โดยเลือกตำแหน่งตามอัตราขยายและจุดบีบอัด 1 dB ที่ต้องการของตัวแปลงสัญญาณ RF ลง
ขั้นตอนที่ 4: ตัวสังเคราะห์สัญญาณ RF และ LO ที่ใช้ในการออกแบบตัวแปลงสัญญาณขึ้น (up converter) ก็ถูกนำมาใช้ในการออกแบบตัวแปลงสัญญาณลง (down converter) ด้วยเช่นกัน ดังแสดงในภาพ
ขั้นตอนที่ 5: ตัวแยกสัญญาณ RF ถูกใช้ในตำแหน่งที่เหมาะสมเพื่อยอมให้สัญญาณ RF ผ่านไปได้ในทิศทางเดียว (เช่น ไปข้างหน้า) และป้องกันการสะท้อนของสัญญาณ RF ในทิศทางย้อนกลับ ดังนั้นจึงเรียกว่าอุปกรณ์แบบทิศทางเดียว GCN ย่อมาจาก Gain control network (เครือข่ายควบคุมอัตราขยาย) GCN ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ลดทอนสัญญาณแบบแปรผัน ซึ่งช่วยให้สามารถตั้งค่าเอาต์พุต RF ได้ตามต้องการโดยพิจารณาจากงบประมาณของลิงก์ RF
สรุป: เช่นเดียวกับแนวคิดที่กล่าวถึงในการออกแบบตัวแปลงความถี่ RF นี้ เราสามารถออกแบบตัวแปลงความถี่ที่ความถี่อื่นๆ ได้ เช่น ย่านความถี่ L, ย่านความถี่ Ku และย่านความถี่ mmwave
วันที่โพสต์: 7 ธันวาคม 2023
