RF和微波濾波器的選擇

　　在不了解會(huì)受到何種損害的情況下，具備高深的數(shù)字電子知識(shí)的設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要給無(wú)線器件確定濾波器參數(shù)時(shí)，急需復(fù)習(xí)射頻基礎(chǔ)知識(shí)。如果沒(méi)有考慮濾波器類型和最低技術(shù)規(guī)格要求方面的基本要素，可能導(dǎo)致產(chǎn)品不能通過(guò)“測(cè)試”，結(jié)果產(chǎn)品又得重新開始設(shè)計(jì)，導(dǎo)致代價(jià)昂貴的生產(chǎn)推遲。另一方面，懂得如何準(zhǔn)確確定濾波器參數(shù)，將有助于使生產(chǎn)出的產(chǎn)品滿足客戶的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和功能。事實(shí)上，這種知識(shí)有助于在提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的成功機(jī)會(huì)的同時(shí)，控制生產(chǎn)費(fèi)用。

　　從基礎(chǔ)開始

　　在當(dāng)今無(wú)線領(lǐng)域，激烈的擴(kuò)展帶寬的競(jìng)爭(zhēng)迫使人們要更加關(guān)注濾波器的性能。如果對(duì)濾波器參數(shù)確定不準(zhǔn)確，最終會(huì)導(dǎo)致頻率沖突，反過(guò)來(lái)使設(shè)計(jì)組又得處理串?dāng)_、掉線、數(shù)據(jù)丟失以及網(wǎng)絡(luò)連接中斷的問(wèn)題。

　　濾波器定義不完整或不準(zhǔn)確這一問(wèn)題產(chǎn)生的部分原因是目前電子市場(chǎng)對(duì)數(shù)字電子很熱衷。根據(jù)某些統(tǒng)計(jì)，80%～90%的新電子設(shè)計(jì)工程師都是軟件和數(shù)字方面的。知識(shí)缺口就在于此，因?yàn)椴还軅鬏數(shù)?a target="_blank">信息是否是數(shù)字形式，當(dāng)信息通過(guò)無(wú)線電或微波傳輸時(shí)，載波信號(hào)總是遵守電磁學(xué)物理定律。

　　所幸的是，對(duì)濾波器性能參數(shù)的某些重要基礎(chǔ)進(jìn)行快速重溫，可幫助工程師正確找出滿足特定應(yīng)用的濾波器。開始時(shí)如果選擇正確，則能節(jié)省時(shí)間和金錢，在訂購(gòu)這些必不可少的元件時(shí)就能確保價(jià)廉物美。

　　1.了解基本響應(yīng)曲線

　　濾波器的基本響應(yīng)曲線包括：帶通、低通、高通、帶阻、雙工器，如圖1A-1F所示。每一個(gè)特定形狀都決定了哪些頻率可以通過(guò)，哪些不能通過(guò)。

　　無(wú)疑，這一組中最常見(jiàn)的是帶通濾波器。所有工程師都知道，帶通濾波器允許兩個(gè)特定頻率之間的信號(hào)通過(guò)，對(duì)其它頻率的信號(hào)進(jìn)行抑制。例如聲表面波濾波器(SAW)、晶體濾波器、陶瓷和腔體濾波器。作為參考，Anatech Electronics 公司制造的腔體帶通濾波器的頻率覆蓋范圍為15 MHz～20 GHz，帶寬在1%～100%范圍。下表給出了Anatech Electronics公司的集總元件帶通濾波器的全部技術(shù)參數(shù)。所有制造商都采用了用濾波器中心頻率兩邊0.5 dB、1 dB或3 dB衰減點(diǎn)定義通頻帶的方法。

　　2.包括所有必要的技術(shù)參數(shù)

　　經(jīng)常出現(xiàn)這一情況，工程師給出一個(gè)需要“一個(gè)100 MHz帶通濾波器”的簡(jiǎn)短要求，這一要求顯然信息量太少了。濾波器供應(yīng)商實(shí)在難以根據(jù)這么點(diǎn)信息就簽單。

　　給出所有必要的信息從詳細(xì)給出所有頻率參數(shù)開始，如：

　　中心頻率(Fo)： 通常定義為帶通濾波器(或帶阻濾波器)的兩個(gè)3 dB點(diǎn)之間的中點(diǎn)，一般用兩個(gè)3 dB點(diǎn)的算術(shù)平均來(lái)表示。

　　截止頻率(Fc)：為低通濾波器或高通濾波器的通帶到阻帶開始的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，該轉(zhuǎn)換點(diǎn)一般為3 dB點(diǎn)。

　　抑制頻率：信號(hào)衰減某些特定值或值的集合的特定頻率或頻率組。有時(shí)定義理想通帶之外的頻率區(qū)為抑制頻率或頻率組，所經(jīng)過(guò)的衰減稱為抑制。

　　濾波器類型決定了特定頻率。對(duì)帶通和帶阻濾波器，特定頻率為中心頻率。對(duì)低通和高通濾波器，特定頻率為截止頻率。

　　為了完整起見(jiàn)，工程師還應(yīng)定義下列特性，如：

　　阻帶：濾波器不傳輸?shù)奶囟l率值之間的頻率帶。

　　隔離：雙工器中，考慮接收(Rx)通道時(shí)為抑制傳輸(Tx)頻率的能力，考慮傳輸(Tx)頻率時(shí)為抑制接收(Rx)頻率的能力，稱為Rx/Tx隔離。隔離度越高，濾波器能夠?qū)x信號(hào)與Tx信號(hào)隔離開的能力就越強(qiáng)，反之亦然。其結(jié)果是傳輸和接收信號(hào)都更加干凈。

　　插入損耗(IL)：表示器件中功率損耗的一個(gè)值，IL =10Log(Pl/Pin)，與頻率無(wú)關(guān)，其中Pl為負(fù)載功率，Pin為從發(fā)生器輸入的功率。

　　回波損耗(RL)：為濾波器性能的一種度量，表示濾波器輸入和輸出阻抗接近理想阻抗值的程度?；夭〒p耗定義為：RL = 10Log(Pr/Pin)，與頻率無(wú)關(guān)，其中Pr為反射回發(fā)生器的功率。

　　群延遲(GD)：群延遲表示器件相位線性的大小。由于相位延遲出現(xiàn)于濾波器的輸出端，了解這種相移隨頻率的變化是否為線性很重要。如果相移隨頻率非線性變化，輸出波形將發(fā)生畸變。群延遲定義為相移隨頻率變化的導(dǎo)數(shù)。因?yàn)榫€性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，所以線性相移引起的群延遲為常數(shù)。

　　形狀因子(SF)： 濾波器的形狀因子通常為阻帶帶寬(BW)與3 dB帶寬的比值。它是濾波器邊緣的陡峭程度的一種量度。例如，如果40 dB帶寬為40 MHz，3 dB帶寬10 MHz，則形狀因子為40/10=4。

　　阻抗：以歐姆為單位的濾波器源阻抗(輸入)和端接阻抗(輸出)。一般情況下，輸入阻抗和輸出阻抗相同。

　　相對(duì)衰減：測(cè)到的最小衰減點(diǎn)處衰減與理想抑制點(diǎn)的衰減的差異。通常，相對(duì)衰減以dBc為單位表示。

　　紋波(Ar)：表示濾波器通頻帶平坦度的大小，一般以分貝表示。濾波器紋波的大小影響回波損耗。紋波越大，則回波損耗越嚴(yán)重，反之亦然。

　　抑制：同上。

　　工作溫度：濾波器設(shè)計(jì)的工作溫度范圍。

　　3.不要追求不切實(shí)際的濾波器特性

　　工程師有時(shí)會(huì)提出如下的要求：“我需要通頻帶為1，490～1，510 MHz，1，511 MHz處的抑制大小為70 dB。”這一要求無(wú)法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，抑制是逐漸變化的，不是90°急劇下降，更實(shí)際的參數(shù)為偏離中心頻率約10%。

　　另一個(gè)情況是要求濾波器例如“抑制1，960 MHz頻率以上的所有成分?！边@時(shí)，工程師必須意識(shí)到不可能衰減該抑制頻率直到無(wú)限高頻率之間的所有頻率。必須設(shè)置某些邊界。更現(xiàn)實(shí)的方法或許是，將通頻帶附近的特定抑制頻率衰減兩到三倍。

　　4.爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)合理的VSWR

　　常使用電壓駐波比(VSWR)表示濾波器的效率，為一比值，大小在1到無(wú)窮大之間，用來(lái)表示反射能量的大小。1表示所有能量都無(wú)損耗通過(guò)。大于1 的所有值都表示有部分能量被反射，即浪費(fèi)了。

　　但是，在實(shí)際的電子電路中，1:1 的VSWR幾乎不可能達(dá)到。通常，比值1:5更實(shí)際一些。如果要求達(dá)到的值小于該值，則會(huì)降低效益成本比。

　　5.考慮功率處理能力

　　功率處理能力為以瓦為單位的額定平均功率，超過(guò)該值則濾波器性能會(huì)降低或者失效。此外還需要注意，濾波器的尺寸在某種程度上決定于其功率處理能力的要求。一般地，功率越大，則濾波器所占電路板面積越大。制造商，如Anatech，一直致力于使用新型算法來(lái)滿足這些挑戰(zhàn)性的利益需求，預(yù)先在算法上作規(guī)劃能節(jié)省成本。

　　6.同時(shí)、雙向通訊中的隔離因素

　　隔離是雙工器的一個(gè)特別重要的方面，從接收通道看時(shí)，隔離表示濾波器抑制傳輸頻率的能力，反之亦然。隔離越大，則兩者分得越開，傳輸信號(hào)和接收信號(hào)就越干凈。

　　7.注意作出取舍

　　性能越高則成本越高。這正是為什么需要準(zhǔn)確定義的原因，因?yàn)闇?zhǔn)確定義可以減少不需要的極端情況，因而能夠避免不必要的費(fèi)用開支。

　　除此之外，對(duì)其他因素也需要互相權(quán)衡。例如，抑制頻率與中心頻率越接近，則濾波器越復(fù)雜，這有時(shí)會(huì)造成插入損耗更大。

　　另外，濾波器性能越高通常使其占板面積越大。例如，從通頻帶到抑制的非常陡峭的轉(zhuǎn)變需要具備更多腔體和段數(shù)，使濾波器更復(fù)雜。但是如果電路板費(fèi)用很重要，則性能有時(shí)必須有所削減。

　　8.尋找可以在各種要求之間作出平衡的制造商

　　雖然濾波器銷售商與濾波器性能的固有特性無(wú)關(guān)，但選擇濾波器銷售商時(shí)，還是需要像關(guān)注元件本身要求一樣對(duì)此予以關(guān)注。一個(gè)優(yōu)秀而穩(wěn)定的專門生產(chǎn)濾波器的制造商，能時(shí)常生產(chǎn)出特定部件來(lái)彌補(bǔ)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷。