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天華中威科技微波小課堂_濾波器定義

02-21

濾波器定義
今的多通道寬帶多倍頻程調(diào)諧RF接收器,通常需要消除不必要的阻塞信號,從而保持相關(guān)信號的保真度。濾波器在減少這些不必要的信號上起到了重要作用,特別是在這些系統(tǒng)的接收器RF前端和本振(LO)部分。天華中威科技小編將帶領(lǐng)大家探討RF信號鏈中濾波器的概念

為了解決RF通信系統(tǒng)中干擾信號的問題,工程師們依靠濾波器來減少這些信號并保留目標信號。簡單地說,濾波器是一種允許在通帶內(nèi)傳輸頻率和在阻帶內(nèi)抑制頻率的組件。

通常,濾波器的插入損耗(dB)可描述為低通、高通、帶通或帶阻(陷波)。這個術(shù)語指的是所繪制的容許通帶頻率響應(yīng)與增加的頻率之間的關(guān)系。濾波器可以根據(jù)其頻率響應(yīng)波形進一步分類,例如通帶紋波、阻帶紋波,以及它們相對于頻率的滾降速度。為了便于說明,圖7顯示了四種主要的濾波器類型。

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圖7.按類型劃分的濾波器波形。

除了插入損耗外,濾波器的另一個重要特性是群延遲。群延遲是指傳輸相位相對于頻率的變化率。群延遲的單位是時間(秒),因此這個指標可視為特定信號通過濾波器的傳輸時間。單一頻率的傳輸時間本身通常影響不大,但當寬帶調(diào)制信號通過濾波器時,群延遲的平坦性就變得很重要,因為它可以在接收信號中引入不同的時間延遲,使信號失真。等式5給出了群延遲的方程,其中θ是相位,?是頻率:


具有明顯插入損耗和群延遲特性的典型濾波器類型有Butterworth、Chebyshev、橢圓和Bessel。每個類型通常由一個階數(shù)來定義,它描述了濾波器中有多少個無功元件。階數(shù)越高,頻率滾降就越快。

在考慮類似階數(shù)的濾波器時,Butterworth濾波器可提供盡量平坦的通帶響應(yīng),但會犧牲頻率滾降,而Chebyshev濾波器則具有很好的頻率滾降,但存在一些通帶紋波。橢圓濾波器(有時稱為Cauer-Chebyshev)比Chebyshev濾波器有更多的頻率滾降,但也因此會在通帶和阻帶中產(chǎn)生紋波。Bessel濾波器的頻率和群延遲響應(yīng)最為平坦,但其頻率滾降性能最差。為了便于說明,圖8顯示了一個五階低通濾波器的理想插入損耗和群延遲,其3 dB頻率(f3 dB)為2 Ghz,允許的通帶紋波為1 dB,阻帶紋波為50 dB。

對于在整個頻率范圍內(nèi)保持恒定相位很重要的系統(tǒng),如雷達系統(tǒng),相關(guān)頻帶的群延遲平坦度對于避免接收到的脈沖出現(xiàn)意外相位偏差來說至關(guān)重要。假設(shè)接收信號范圍可以覆蓋1 GHz或更多,則應(yīng)盡量減少寬頻帶的群延遲平坦度。根據(jù)經(jīng)驗法則,應(yīng)將群延遲平坦度保持在<1 ns,但這要取決于系統(tǒng)對相位偏差的容限。圖9顯示了群延遲平坦度分別為2.24 ns和0.8 ns的濾波器示例。觀察這些波形可以發(fā)現(xiàn),對于更平坦的群延遲來說,整個頻率范圍的相位變化更加一致。

最后,用于設(shè)計濾波器的無功元件的品質(zhì)因數(shù)(Q因數(shù))是影響性能的一個重要屬性。品質(zhì)因數(shù)定義為特定電路元件的無功阻抗與串聯(lián)損耗電阻之比。它與技術(shù)工藝和用于實現(xiàn)的物理區(qū)域密切相關(guān)。品質(zhì)系數(shù)越高,頻率響應(yīng)越快,插入損耗越小。

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圖8.五階低通濾波器的插入損耗和群延遲。


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圖9.群延遲平坦度影響與線性相位的偏差:(a)顯示2.24 ns的群延遲平坦度 (b)顯示0.8 ns的平坦度,兩者對比可看出,相位變化與頻率的關(guān)系更一致。

RF通信的傳統(tǒng)濾波技術(shù)

為射頻通信系統(tǒng)設(shè)計濾波器時,有多種技術(shù)可用于實現(xiàn)經(jīng)典型濾波器。傳統(tǒng)上,射頻工程師依靠的是帶有表面貼裝元件的分立式集總元件實現(xiàn),或者是包含印在PCB材料上的傳輸線的分布式元件濾波器。然而,近年來,濾波器基于半導(dǎo)體工藝設(shè)計,允許使用精確的溫度穩(wěn)定無功元件,品質(zhì)系數(shù)得到了改善。此外,半導(dǎo)體工藝支持使用開關(guān)和可調(diào)諧無功元件,這在分立式集總元件實現(xiàn)中可能更具挑戰(zhàn)性。還有體聲波(BAW)、表面聲波(SAW)、低溫共燒陶瓷(LTCC)、腔體濾波器或陶瓷諧振器等其它技術(shù)。

每種方法和技術(shù)都存在權(quán)衡取舍:

集總LC濾波器由PCB上的表面貼裝電感器和電容器來實現(xiàn)。這樣做的好處是便于組裝,然后通過調(diào)整數(shù)值來改變?yōu)V波器的性能。

分布式濾波器設(shè)計為在電介質(zhì)上實現(xiàn)的傳輸線的諧振片(可以集成到PCB中,也可以獨立在一個單獨的電介質(zhì)上),并定向為在某些頻率范圍內(nèi)充當準電感器或準電容器。它們表現(xiàn)出周期性特征。在某些情況下,會添加集總元件來改進/小型化分布式濾波器。

陶瓷諧振器濾波器使用多個陶瓷諧振器(這是一個分布式元件),通過集總元件進行耦合。耦合元件通常是一個電容,但有時也會使用電感。這種類型的濾波器是分布式和集總元件的混合體。

腔體濾波器由封裝在導(dǎo)電盒內(nèi)的分布式元件(棒)來實現(xiàn)。它們以能夠處理高功率而幾乎沒有損耗而聞名,但要以尺寸和成本為代價。

BAW和SAW技術(shù)可以提供出色的性能,但它們往往在頻率選擇方面有要求,不適合寬帶應(yīng)用。

LTCC濾波器通過將多層分布式傳輸線組合在一個陶瓷封裝中來實現(xiàn),該陶瓷封裝類似于分布式濾波器,可用于多種應(yīng)用,但它是固定的。由于它們是3D堆疊式的,所以最終在PCB上占用的空間很小。

隨著最近半導(dǎo)體性能的提升,集成到半導(dǎo)體中的濾波器支持的頻率范圍也更加寬泛。如果能夠?qū)?shù)字控制元件輕松集成到這些元件中,有助于軟件定義收發(fā)器的采用??偟膩碚f,性能和集成度之間的權(quán)衡取舍為寬帶系統(tǒng)的設(shè)計人員提供了有用的價值。

表1.濾波器類型比較
以上是文章 所有內(nèi)容感謝您 的來訪,希望對您有所幫助。


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