בעד ונגד מגברי ת”ר לשני פסי תדירויות

מאת: ג’ייסון סמית ופאט מאלוי, AR

במאמץ להקיף את טווחי התדירויות הרחבים באופן יחסי, המורשים לשימוש על ידי רוב התקנים המודרניים לעמידה בהפרעות EMC, נוקטים חלק מיצרני המגברים בשיטה של שילוב שני מודולי מגברים במארז משותף. מגברים אלו, המכונים “מגברים לשני פסי תדירויות”, משתמשים במיתוג פסי התדירויות כדי להשיג פס תדירויות כולל, רחב יותר מאשר כל אחד ממודולי המגברים יכול להקיף בעצמו. מאמר יישומי זה ייצג הן את היתרונות וגם את החסרונות של השימוש בטכניקה זו.

היתרון הבולט ביותר לעין של מגבר לשני פסי תדירויות הוא הפשטות הברורה והחיסכון בעלות, שכפי הנראה נגזר כתוצאה מכך. שני מגברים מוחלפים ב”קופסה” אחת עם כניסת ת”ר (RF) יחידה ויציאת ת”ר יחידה ופס תדירות ברוחב גדול יותר מכל אחד מהמגברים שאותם היא מחליפה. על אף שעל פניו נראה שהמערכת הפכה להיות פשוטה יותר, מבט מקרוב על מה שבתוך “הקופסה” מגלה סיפור שונה. בעוד ששני מודולי המגברים במגבר לשני פסי תדירויות משתמשים בספק כוח משותף, המערכת כולה הופכת להיות מורכבת כתוצאה מהעובדה שהיא כעת מורכבת משני מודולי מגברים מורכבים למדי במקום ממודול מגבר אחד. מעבר לכך, כפי שאפשר לראות באיור 2, יש צורך במערכת מיתוג ת”ר, כבילה ומחברים נוספים אשר ישפיעו לרעה על יציאות ת”ר של שני המגברים. כל הרכיבים הנוספים מוסיפים הפסדי שילוב (insertion loss) שייתכן שלא יוצרים בעיה בתדירויות נמוכות, אבל יכולים להיות אחראים להפסדים משמעותיים בתדירויות גבוהות יותר.

איור 1: תרשים בסיסי של מגבר לפס תדירות יחיד

איור 2: תרשים בסיסי של מגבר לשני פסי תדירויות

לדוגמה, הפסד שילוב קטן יחסית לאות ת”ר, בגודל של 0.5 dB יביא להפסד של 12% בהספק המוצא, עובדה שבהחלט יכולה לבטל לחלוטין את קלות השימוש ואת החיסכון בעלויות, שבהם אפשר היה לזכות בגלל הבחירה במגבר לשני פסי תדירויות. בעיה נוספת היא שתקלה במתח האספקה המשותף תשפיע על שני מודולי המגברים ותגרום לשניהם לא לפעול. לבסוף, עם המורכבות הנוספת קיים גם סיכון נוסף לתקלה – ותקלה בכל אחד מהרכיבים המשותפים תשתק את מערכת המגבר כולה.

מצד שני, אם קיים מגבר לפס תדירות יחיד שמקיף אותו פס תדירות שמקיף המגבר לשני פסי תדירויות, הבחירה הופכת להיות ברורה. סביר להניח שהמוצר לפס תדירות יחיד יהיה הרבה פחות מורכב ומכאן שבאופן מובנה יהיה יותר עמיד ואמין.

מגברים לשני פסי תדירויות

כיצד אפשר לקבוע אם יש במגבר מיתוג של פסי תדירויות

לעתים קרובות, אין אפשרות להבחין באופן ברור אם מגבר מכיל יחידת לטווח ת”ר יחידה או שיש בו ריבוי של יחידות לטווחי ת”ר שונים, שלהם נדרש מיתוג של פסי התדירויות. כמה מילות מפתח מזהות שאפשר לחפש אותן הן, מגבר היברידי (hybrid), מגבר לשני פסי תדירויות (dual band) ומגבר במיתוג תדירויות (frequency switched). סימן נוסף לכך שייתכן שבמגבר משולב מיתוג של פסי תדירויות הוא כאשר הגדרות מפרט מסוימות, כמו למשל תגובת תדר וצריכת הספק, מחולקות לפי פסי תדירויות. אם דף נתונים של מגבר מצהיר על טווח תדירויות ונעשה בו שימוש במילה רגעי, מיידי (instantaneous), המשמעות היא שלא קיים מיתוג פסי תדירויות בטווח התדירות האמור. אם לא קיימת הצהרה ברורה מסוג זה, יש אי בהירות לגבי הביצועים של המגבר כשהוא יפעל. דפי נתונים חייבים להצהיר באופן ברור על האופי של תכנון המגבר. במקרה שאין הצהרה כזו, מובן שעליך לשאול את השאלות.

מטריצת מיתוג חיצונית

אפשר להשיג את רוב היתרונות הגלומים במגבר עם מיתוג של שני פסי תדירויות, תוך כדי ביטול או הקטנה למינימום של החסרונות שלו, על ידי שימוש במגברים בדידים ובמטריצת מיתוג חיצונית. במבט ראשון אפשר לחשוב שמבנה כזה הוא מורכב יותר, אך לאחר הערכת היתרונות והחסרונות, הוא נראה כפתרון אלגנטי בפשטותו. ההבדל האחד בין מטריצת מיתוג חיצונית לבין מיתוג פנימי (מגבר עם שני פסי תדירויות), אשר כפי הנראה תומך במגבר עם שני פסי תדירויות, הוא שהפסדי ת”ר מצומצמים למינימום מאחר שבמגבר עם שני פסי התדירויות, דרגות המגבר קרובות זו לזו יותר מבחינה פיסית. למרות שעובדה זו נכונה, היתרונות הממשיים שהיא מעניקה לא משמעותיים במידה שאפשר לחשוב שהם. לפרטים עיין בהשוואה שבהמשך.

מסקנות

מאמר יישומי זה מציב, זה מול זה, מגברים עם שני פסי תדירויות ושני מגברים נפרדים המשולבים באמצעות מטריצת מיתוג. על פניו נראה שמגבר עם שני פסי תדירויות הוא אפשרות שכדאי לקחת בחשבון, אך כשבוחנים אותו לעומק, הגישה שבה משתמשים בשני מגברים עם מטריצת מיתוג מתגלה בבירור כפתרון מנצח. היתרונות הברורים ביותר באים לידי ביטוי ברב צדדיות הגלומה במערך של שני מגברים בדידים עם מטריצת מיתוג שיכולה לשלב, לא רק את המגברים, אלא גם מחוללי אותות, מצמדים כיווניים, מדי הספק ועומסים. נוסף לכך, הפשטות המובנית במערכת אוטומטית כזו מתבטאת באמינות גדולה יותר. בכל גישה שבה בוחרים, יש תמיד להביא בחשבון את איכות המוצר וכן את המוניטין של היצרן ויכולתו לתמוך במוצרים שלו. לבסוף, כמו בכל מערכת, טיב פעולתה של המערכת כולה לא עולה על טיבו של החלק החלש ביותר שבה.

נספח א’:

השוואת הפסדי המוצא בת”ר בין מגבר עם שני פסי תדירויות ושני מגברים עם מיתוג חיצוני

הנחות:

טווח התדירות: 1–6 ג’יגה–הרץ

נקודת שינוי (breakpoint) של המגבר: 2.5 ג’יגה–הרץ

הספק מוצא בסיסי של המודול: 50 וואט

הפסדים במצב הגרוע ביותר: ב–6 ג’יגה–הרץ

מצמד כיווני אחד משמש לגישור בין שני המגברים

מוצר א’: מגבר עם שני פסי תדירויות

בכל החיבורים משתמשים בכבל קואקסיאלי קשיח למחצה: SR250 הטוב מבין כל היצרנים.

אורכי הכבלים הקואקסיאליים:      1.         ממודולי המגבר עד למתג
                        (הערכה של המצב הטוב ביותר)  –  2 x 0.3 מ’

            2.         מהמתג עד למצמד הכיווני
                        (הערכה של המצב הטוב ביותר)  –  0.1 מ’

            3.         מהמצמד הכיווני ועד לחלק האחורי של המארז
                        (הערכה של המצב הטוב ביותר)  –  0.1 מ’

רכיבים נוספים בנתיב אותות ת”ר שלגביהם יש צורך לבצע הערכה: מתג ת”ר ומצמד כיווני.

מוצר ב’: שני מגברים מחוברים למטריצת מיתוג

כבלים קואקסיאליים להספק גבוה ובאיכות גבוהה: כבלים קואקסיאליים
בסדרת CC100000 של חברת AR

אורכי הכבלים הקואקסיאליים:      1.         מהמגברים ועד למתג
            (הערכה של המצב הגרוע ביותר)   –  2 x 1 מ’

            2.         מהמתג אל המצמד הכיווני
            (הערכה של המצב הגרוע ביותר)  –  0.5 מ’

מאחר שאותות היציאה בת”ר קיימים במצמד במערך זה, אין צורך לקחת בחשבון הפסדים נוספים בכבלים.

הפרש של 0.16 dB בלבד!

ברור שאין הבדל גדול בהפסדים בין שתי הקונפיגורציות. עם זאת, מטריצת המיתוג החיצונית מספקת גמישות רבה ביותר לצורך התרחבות עתידית. הוספת מגברים ועומסים נוספים או שינוי מלא של המערכת אפשריים, פשוט על ידי הוספה של מתגים נוספים.