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干货推荐:关于RF 滤波器的那些细节必须知晓

2020-04-08 10:31 来源:互联网 编辑:Emma

随着电子设备工作频率的迅速提高,电磁干扰的频率也越来越高,干扰频率通常会达到数百MHz,甚至GHz以上。由于电压或电流的频率越高,越容易产生辐射,正是这些频率很高的干扰信号导致了辐射干扰的问题日益严重。因此,迫切需要一种能对辐射干扰的高频信号有较大的衰减的滤波器出现,这种滤波器就是射频干扰滤波器。

微波滤波器搭建起来很简单,但理解起来比较复杂。它们在系统中完成一个基本的功能:阻止某些信号,通过其它信号。但可以用许多不同的方式实现这种功能,而且有许多不同的副作用,例如系统幅度和相位响应失真等。因此在选择滤波器之前,了解它们之间的差异很有帮助。

如果对滤波器参数确定不准确,最终会导致频率冲突,反过来使设计组又得处理串扰、掉线、数据丢失以及网络连接中断的问题。严重时可能导致产品不能通过“测试”,结果产品又得重新开始设计,导致代价昂贵的生产推迟。另一方面,懂得如何准确确定滤波器参数,将有助于使生产出的产品满足客户的生产标准和功能。

干货推荐:关于RF 滤波器的那些细节必须知晓

各种类型的微波射频滤波器

所幸的是,对滤波器性能参数的某些重要基础进行快速重温,可帮助工程师正确找出满足特定应用的滤波器。开始时如果选择正确,则能节省时间和金钱,在订购这些必不可少的元件时就能确保价廉物美。

(1). 了解基本响应曲线

滤波器的基本响应曲线包括:带通、低通、高通、带阻、双工器,每一个特定形状都决定了哪些频率可以通过,哪些不能通过。

无疑最常见的是带通滤波器。所有工程师都知道,带通滤波器允许两个特定频率之间的信号通过,对其它频率的信号进行抑制。例如声表面波滤波器(SAW)、晶体滤波器、陶瓷和腔体滤波器。制造商都采用了用滤波器中心频率两边 0.5dB、1dB 或 3dB 衰减点定义通频带的方法。

(2) 包括所有必要的技术参数

经常出现这一情况,工程师给出一个需要“一个 100MHz 带通滤波器”的简短要求,这一要求显然信息量太少了。给出所有必要的信息从详细给出所有频率参数开始,如:

中心频率(Fo):通常定义为带通滤波器(或带阻滤波器)的两个 3dB 点之间的中点,一般用两个 3dB 点的算术平均来表示。

截止频率(Fc):为低通滤波器或高通滤波器的通带到阻带开始的转换点,该转换点一般为 3dB 点。

抑制频率:信号衰减某些特定值或值的集合的特定频率或频率组。有时定义理想通带之外的频率区为抑制频率或频率组,所经过的衰减称为抑制。

滤波器类型决定了特定频率。对带通和带阻滤波器,特定频率为中心频率。对低通和高通滤波器,特定频率为截止频率。

为了完整起见,工程师还应定义下列特性,如:

阻带:滤波器不传输的特定频率值之间的频率带。 

隔离:双工器中,考虑接收(Rx)通道时为抑制传输(Tx)频率的能力,考虑传输(Tx)频率时为抑制接收(Rx)频率的能力,称为 Rx/Tx 隔离。隔离度越高,滤波器能够将 Rx 信号与 Tx 信号隔离开的能力就越强,反之亦然。其结果是传输和接收信号都更加干净。

插入损耗(IL):表示器件中功率损耗的一个值,IL=10Log(Pl/Pin),与频率无关,其中 Pl 为负载功率,Pin 为从发生器输入的功率。 

回波损耗(RL):为滤波器性能的一种度量,表示滤波器输入和输出阻抗接近理想阻抗值的程度。回波损耗定义为:RL=10Log(Pr/Pin),与频率无关,其中 Pr 为反射回发生器的功率。

群延迟(GD):群延迟表示器件相位线性的大小。由于相位延迟出现于滤波器的输出端,了解这种相移随频率的变化是否为线性很重要。如果相移随频率非线性变化,输出波形将发生畸变。群延迟定义为相移随频率变化的导数。因为线性函数的导数为常数,所以线性相移引起的群延迟为常数。 

形状因子(SF):滤波器的形状因子通常为阻带带宽(BW)与 3dB 带宽的比值。它是滤波器边缘的陡峭程度的一种量度。例如,如果 40dB 带宽为 40MHz,3dB 带宽 10MHz,则形状因子为 40/10=4。 

阻抗:以欧姆为单位的滤波器源阻抗(输入)和端接阻抗(输出)。一般情况下,输入阻抗和输出阻抗相同。

相对衰减:测到的最小衰减点处衰减与理想抑制点的衰减的差异。通常,相对衰减以 dBc 为单位表示。

纹波(Ar):表示滤波器通频带平坦度的大小,一般以分贝表示。滤波器纹波的大小影响回波损耗。纹波越大,则回波损耗越严重,反之亦然。 

抑制:同上。  

工作温度:滤波器设计的工作温度范围。

(3).  不要追求不切实际的滤波器特性

工程师有时会提出如下的要求:“我需要通频带为 1,490~1,510MHz,1,511MHz 处的抑制大小为 70dB。”这一要求无法实现。实际上,抑制是逐渐变化的,不是 90°急剧下降,更实际的参数为偏离中心频率约 10%。 

另一个情况是要求滤波器例如“抑制 1,960MHz 频率以上的所有成分。”这时,工程师必须意识到不可能衰减该抑制频率直到无限高频率之间的所有频率。必须设置某些边界。更现实的方法或许是,将通频带附近的特定抑制频率衰减两到三倍。 

(4). 争取实现合理的 VSWR

常使用电压驻波比(VSWR)表示滤波器的效率,为一比值,大小在 1 到无穷大之间,用来表示反射能量的大小。1 表示所有能量都无损耗通过。大于 1 的所有值都表示有部分能量被反射,即浪费了。

但是,在实际的电子电路中,1:1 的 VSWR 几乎不可能达到。通常,比值 1:5 更实际一些。如果要求达到的值小于该值,则会降低效益成本比。

(5) 考虑功率处理能力

功率处理能力为以瓦为单位的额定平均功率,超过该值则滤波器性能会降低或者失效。此外还需要注意,滤波器的尺寸在某种程度上决定于其功率处理能力的要求。一般地,功率越大,则滤波器所占电路板面积越大。 

(6). 同时、双向通讯中的隔离因素

隔离是双工器的一个特别重要的方面,从接收通道看时,隔离表示滤波器抑制传输频率的能力,反之亦然。隔离越大,则两者分得越开,传输信号和接收信号就越干净。 

(7). 注意作出取舍

性能越高则成本越高。这正是为什么需要准确定义的原因,因为准确定义可以减少不需要的极端情况,因而能够避免不必要的费用开支。 

除此之外,对其他因素也需要互相权衡。例如,抑制频率与中心频率越接近,则滤波器越复杂,这有时会造成插入损耗更大。 

另外,滤波器性能越高通常使其占板面积越大。例如,从通频带到抑制的非常陡峭的转变需要具备更多腔体和段数,使滤波器更复杂。但是如果电路板费用很重要,则性能有时必须有所削减。 

(8). 寻找可以在各种要求之间作出平衡的制造商

虽然滤波器销售商与滤波器性能的固有特性无关,但选择滤波器销售商时,还是需要像关注元件本身要求一样对此予以关注。一个优秀而稳定的专门生产滤波器的制造商,能时常生产出特定部件来弥补产品设计缺陷。

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