濾波器設(shè)計(jì)過程中在射頻(RF)方面的重大挑戰(zhàn)討論

射頻(RF)濾波器設(shè)計(jì)持續(xù)面臨電氣、機(jī)械和環(huán)境等方面的挑戰(zhàn)。例如系統(tǒng)必須符合規(guī)定的外觀尺寸大小、環(huán)境溫度會(huì)左右濾波器的頻率響應(yīng)飄移、機(jī)殼材料也會(huì)影響濾波器的性能表現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員必須從一開始就對(duì)上述因素做出取舍，才能設(shè)計(jì)出符合需求的解決方案。

在設(shè)計(jì)濾波器以滿足已知要求的過程中，有許多既有的挑戰(zhàn)。這些要求主要是在電氣、機(jī)械和環(huán)境方面。從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)所提出的約束，例如機(jī)械尺寸之類，通常都具有極高的重要性。本文將會(huì)討論濾波器設(shè)計(jì)過程中在射頻(RF)方面的重大挑戰(zhàn)。

首先，本文將以一款現(xiàn)有產(chǎn)品來展示不同溫度下頻率響應(yīng)的漂移。這種頻率響應(yīng)的漂移非常重要，在設(shè)計(jì)流程開始前就要牢牢記住，因?yàn)榉磻?yīng)會(huì)根據(jù)濾波器工作環(huán)境的變化而改變。

接著，將會(huì)介紹被動(dòng)互調(diào)(PIM)測(cè)量的設(shè)置，在滿足濾波器產(chǎn)品要求的過程中，它可能是最具挑戰(zhàn)性的規(guī)范，主要原因包括缺乏精確的模擬工具以及測(cè)量不準(zhǔn)確。為清晰說明測(cè)試的過程，文中也提供測(cè)試的方塊圖。文中也會(huì)提出此次測(cè)量中的不確定性，并討論一些影響因素。

最后，則探討插入損耗和窄頻帶隙抑制之間的權(quán)衡，也提供一些濾波器合成的范例，目的是要說明各種要求之間的權(quán)衡。然而，在顧此失彼的限制下，很可能 無法滿足全部要求，尤其是在有限的空間內(nèi)。因此，濾波器的設(shè)計(jì)人員必須要求客戶厘清不同要求之間的優(yōu)先順序。

溫度對(duì)濾波器性能產(chǎn)生的影響

這里將闡述溫度對(duì)濾波器帶外抑制的效應(yīng)，因此采用Molex旗下公司SDP Telecom所生產(chǎn)的COM-2J1F1-1Y2-000雙工器，它是一臺(tái)雙頻帶結(jié)合器(頻帶1=1710～1780MHz或2110M～2180MHz，頻帶2=1850～1995MHz)。

由于本單元各頻帶之間的隔離性極高(> 50dB)，所以可將頻帶1視為雙頻帶濾波器，而將頻帶2視為簡(jiǎn)單的濾波器。由于雙頻帶濾波器超出本文所討論的范圍，因此將重點(diǎn)討論頻帶2。附帶一提的是，此一雙工器中所有諧振器皆使用鋁材料。

圖2說明了該頻帶在三種溫度下的測(cè)量結(jié)果：-40℃(低溫)、25℃(環(huán)境溫度)和+65℃(高溫)。從圖中可以看出，溫度變化對(duì)濾波器的抑制具有一定影響。對(duì)于已知的衰減值(圖2的例子約在-30dB)，可以看出從低溫到環(huán)境溫度的漂移約為2.9MHz，從環(huán)境溫度到高溫的漂移約為2.3MHz。

圖2、三種溫度下雙工器頻帶2的傳輸性能及其部分放大圖

一般而言，對(duì)于已知材料和濾波器的中心頻率，可用公式1來預(yù)測(cè)頻率漂移：

Δf=δ ΔT f0 (1)............................公式1

其中，δ為10 -6 /℃下的熱膨 脹系數(shù)，ΔT為溫度變化，而f0為濾波器的中心頻率。表1列出一些常用材料的δ值。

將公式1應(yīng)用到某些例子，考慮到δ=23 10-6 /℃(鋁)和f0=1922MHz。在低溫的情況下，ΔT=65℃，因此Δf≈2.874MHz，而在高溫的情況下，ΔT=40℃，因此Δf≈1.768MHz。

可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與公式1計(jì)算結(jié)果一致。一些誤差可歸因于諧振器的形狀和內(nèi)插近似值(Interpolation Approximation)。因此，公式1可用于預(yù)測(cè)溫度漂移情況下的頻率變化。CTE δ的值不需要過高，從而避免在衰減性能上出現(xiàn)重大變化，對(duì)于較廣的溫度范圍尤其是如此。

重要的是，在選擇諧振器材料時(shí)需要考慮一些重要因素，主要包括成本、重量、制造方法(沖壓、壓鑄等等)，并且要鍍銀以防止發(fā)生PIM。圖3說明了濾波器中三種常用材料之間的折衷。

圖3、不同諧振器材料之間的權(quán)衡

鋁的成本通常較低而且重量較輕，然而熱膨脹系數(shù)(CTE)相對(duì)較高，因此在規(guī)范要求嚴(yán)格的情況下可能并不適合。鋼材的成本效益較佳，根據(jù)具體成分，CTE較低，從而讓它成為窄頻帶應(yīng)用的良好選擇。但是鋼材是一種鐵磁材料(Ferromagnetic Material)，需要鍍銀處理，這將會(huì)提高總成本。殷鋼基本上是鎳和鐵的合金，熱穩(wěn)定性極高，但成本也非常高。

對(duì)采用不同材料諧振器的低成本解決方案做出溫度補(bǔ)償(例如圖3所示的鋼材和鋁材)是一種常用的方法。這種方法可在最終產(chǎn)品的良好性能與可承受成本之間找到最佳平衡點(diǎn)。

PIM測(cè)試設(shè)置和考慮事項(xiàng)

這里將介紹一般性的PIM測(cè)試設(shè)置，并概述可對(duì)PIM產(chǎn)生影響的各種因素。圖4所提出的方塊圖是一般的PIM設(shè)置，可應(yīng)用于本文的待測(cè)裝置(DUT)。左上方有兩臺(tái)訊號(hào)產(chǎn)生器，其后是兩臺(tái)相同的功率放大器，可提供極高增益(通常為50dB)，在功率放大器之后的是兩臺(tái)隔離器，它們基本上是用來保護(hù)功率放大器，以避免受到可能產(chǎn)生的高功率反射所影響。然后，3dB的混合設(shè)備將輸入訊號(hào)分配到兩條相同的路徑上。

圖4、通用PIM測(cè)試設(shè)置接收器通道濾波器的方塊圖

這里采用低PIM的50歐姆(Ω)端接來終止一個(gè)輸出，并在第二個(gè)輸出處混合訊號(hào)產(chǎn)生器所發(fā)出的兩種頻率(f1+f2)。使用低PIM的定向耦合器(通常為30dB的耦合)來測(cè)量待測(cè)裝置輸入中的功率，并且據(jù)此校準(zhǔn)功率計(jì)來讀取正確的值。

一般比較偏愛以這種設(shè)置來精確地修正正確的輸入功率，其誤差僅等于耦合器的插入損耗(約為0.2dB)。因此，將兩臺(tái)低PIM雙工器和待測(cè)裝置串聯(lián)起來。雙工器在發(fā)射(Tx)和接收(Rx)埠之間也有著高度的隔離性。所產(chǎn)生的任何第三個(gè)IMD訊號(hào)將轉(zhuǎn)至Rx埠，并以頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量。

PIM測(cè)試可以進(jìn)行兩種測(cè)量。在逆向PIM(Reverse PIM)中，應(yīng)將濾波器上的輸出埠端接到高功率、低PIM的50歐姆負(fù)載。另一方面，如圖4所示，前向PIM(Forward PIM)采用第二臺(tái)雙工器，其Tx通道端接到高功率、低PIM的50歐姆負(fù)載。第三個(gè)IMD訊號(hào)將直接轉(zhuǎn)至Rx通道，再以頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)所處理的階段，在操作低PIM濾波器時(shí)有許多因素要考慮。首先，在設(shè)計(jì)和工程的階段中，一定要減少粗糙度；金屬之間的接觸要盡可能地做到平滑，以避免電弧放電。為了確保可實(shí)現(xiàn)后一種特性，需要良好的鍍銀技術(shù)來降低表面電阻。此外，建議在訊號(hào)路徑上采用尖銳的邊緣和避免尖刺，如去角技術(shù)(Chamfering)將有助于實(shí)現(xiàn)此一目的。間隙不應(yīng)太小，否則會(huì)產(chǎn)生電弧(一般不小于1毫米)。當(dāng)然，由于鐵磁材料是一種PIM的重要來源，因此嚴(yán)格要求進(jìn)行鍍銀。

第二，在裝配階段，元件在機(jī)械加工完成后要清理掉任何毛刺以避免劃傷(即使部分劃傷)元件的表面。焊接操作應(yīng)盡可能地平順、均勻(例如以均質(zhì)的方式)，不得使元件承受壓力(彎曲)。理想的方法是使用凸緣型(Flange Type)連接器。

最后，對(duì)于測(cè)試過程，首先應(yīng)確保設(shè)置本身不會(huì)產(chǎn)生PIM，且輸入功率值應(yīng)該是正確的。連接器應(yīng)該要清理干凈，將其扭矩調(diào)節(jié)至約23～24牛頓米(N.m.)。連接位置應(yīng)當(dāng)對(duì)中，調(diào)諧螺釘和蓋子應(yīng)經(jīng)過鍍銀處理，并用防松螺帽(Lock Nut)上緊。

插入損耗/抑制之間的權(quán)衡

對(duì)于高功率濾波器模組和無線站點(diǎn)解決方案來說，空腔濾波器(Cavity Filter)是業(yè)界普遍接受的方式。對(duì)只有有限空間可以設(shè)計(jì)濾波器的空腔諧振器而言，其品質(zhì)因數(shù)也有限，因此要滿足所需的插入損耗，也是一種挑戰(zhàn)。與接收器通道濾波器相比，插入損耗的要求對(duì)于發(fā)射器通道濾波器來說更加重要，這是因?yàn)椴迦霌p耗越高，越需要更大的功率放大器、更大的直流電源，還要使用無線電的散熱器。

抑制要求較高的情況也非常普遍。為了抑制住功率放大器處的多余帶外功率，此一要求就顯得很重要，否則將提高接收器通道的雜訊位準(zhǔn)。利用交叉耦合，以及提高濾波器的階數(shù)和諧振器的數(shù)量，就可以滿足更高的抑制要求。

解決這問題看似簡(jiǎn)單，然而濾波器的設(shè)計(jì)人員必須在滿足各種不同要求之間做出取舍。降低制造成本的要求也會(huì)帶來約束，例如各種不同的機(jī)械限制、尺寸，以及制造上的偏好。這會(huì)在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生許多折衷妥協(xié)，要根據(jù)客戶的優(yōu)先順序來做出選擇。

圖5和圖6中的例子是用來說明為TX頻帶在390MHz至395MHz下的雙工器設(shè)計(jì)TX濾波器。具體的要求包括從380MHz到385MHz的RX頻帶下達(dá)到-85dB的抑制，以及使TX濾波器的插入損耗保持在1.7dB以下。此外還有機(jī)械上的限制，例如外部尺寸和連接器的位置等。

圖5、以六極和-85dB抑制、2dB插入損耗所進(jìn)行的濾波器設(shè)計(jì)

圖6、以五極和-75dB抑制、1.5dB插入損耗所進(jìn)行的濾波器設(shè)計(jì)

為了改善插入損耗，使用品質(zhì)因數(shù)高于2,000的諧振器設(shè)計(jì)并不可行，這是因?yàn)榇嬖谥鴻C(jī)械尺寸上的限制，例如整體結(jié)構(gòu)的高度，以及制造上的考慮和公差等。

由于機(jī)械上的限制及埠的位置已經(jīng)預(yù)先確定，所以難以利用更多交叉耦合來達(dá)成更多的抑制實(shí)施拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，可使用更多的諧振器來滿足對(duì)抑制的要求，并有較高的插入損耗，或者可以在RX頻帶下滿足插入損耗的要求，同時(shí)減輕抑制。

在這些范例中，對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)，應(yīng)在兩種選項(xiàng)之間做出選擇，那就是有較佳的插入損耗及較少的抑制，還是較佳的抑制與較差的插入損耗。這種選擇只能根據(jù)客戶的優(yōu)先順序來進(jìn)行。關(guān)于這一點(diǎn)，可以同時(shí)向客戶提供兩種設(shè)計(jì)，并說明其中的優(yōu)缺點(diǎn)，讓他們做出選擇，這樣便可以在出現(xiàn)一定沖突的情況下滿足其中更重要的要求。

作者：Massoud Ghassemi/ Taher Hadouej/ Rajib Chowdhury Molex

審核編輯：劉清