RF и микроволновый фильтр

Радиочастотные (РЧ) и микроволновые фильтры представляют собой класс электронных фильтров , предназначенных для работы с сигналами в диапазонах частот от мегагерца до гигагерца ( от средней частоты до чрезвычайно высокой частоты ). Это компонент, который используется в электронных системах для пропускания или отклонения определенных частот и ослабления нежелательных сигналов в микроволновом и радиочастотном диапазонах. Этот частотный диапазон используется большинством радиовещательных, телевизионных и беспроводных средств связи (сотовые телефоны, Wi-Fi и т. д.), поэтому большинство радиочастотных и микроволновых устройств включают в себя некоторую фильтрацию передаваемых или принимаемых сигналов. Такие фильтры обычно используются в качестве строительных блоков для дуплексеров и диплексеров для объединения или разделения нескольких полос частот. ^[1]

Функции фильтра

Желательны четыре общие функции фильтра:

Полосовой фильтр : выберите только нужную полосу частот.
Полосовой фильтр : устраняет нежелательную полосу частот.
Фильтр нижних частот только частоты ниже частоты среза . : пропускает
Фильтр верхних частот : только частоты выше частоты среза . пропускает

Фильтрационные технологии

В общем, большинство ВЧ- и СВЧ-фильтров чаще всего состоят из одного или нескольких связанных резонаторов , и поэтому любая технология, которая может быть использована для изготовления резонаторов, также может быть использована для изготовления фильтров. Ненагруженная добротность используемых резонаторов обычно определяет избирательность, которую может достичь фильтр. Книга Маттеи, Янга и Джонса ^[2] предоставляет хороший справочник по проектированию и реализации радиочастотных и микроволновых фильтров. Обобщенная теория фильтров оперирует резонансными частотами и коэффициентами связи связанных резонаторов в микроволновом фильтре.

LC-фильтры с сосредоточенными элементами

Простейшая структура резонатора, которую можно использовать в ВЧ- и СВЧ-фильтрах, представляет собой LC- контур, состоящий из параллельных или последовательных катушек индуктивности и конденсаторов. Их преимуществом является то, что они очень компактны, но низкая добротность резонаторов приводит к относительно плохим характеристикам.

LC-фильтры с сосредоточенными элементами имеют как верхний, так и нижний частотный диапазон. Поскольку частота становится очень низкой, в диапазоне от низких кГц до Гц размер катушек индуктивности, используемых в цепи резервуара, становится непомерно большим. Для решения этой проблемы в фильтрах очень низких частот часто используются кристаллы.По мере увеличения частоты, в диапазоне 600 МГц и выше, катушки индуктивности в цепи резервуара становятся слишком маленькими, чтобы их можно было использовать на практике. Поскольку электрическое реактивное сопротивление катушки индуктивности определенной индуктивности увеличивается линейно по отношению к частоте, на более высоких частотах для достижения того же реактивного сопротивления может потребоваться непомерно низкая индуктивность.

Планарные фильтры

Плоские линии передачи , такие как микрополосковые , копланарные волноводы и полосковые линии , также могут служить хорошими резонаторами и фильтрами. Процессы, используемые для производства микрополосковых схем, очень похожи на процессы, используемые для производства печатных плат , и эти фильтры имеют то преимущество, что они в основном плоские.

Прецизионные планарные фильтры производятся с использованием тонкопленочного процесса. Более высокие коэффициенты добротности можно получить, используя для подложки тангенциальные диэлектрические материалы с низкими потерями, такие как кварц или сапфир, и металлы с более низким сопротивлением, такие как золото.

Коаксиальные фильтры

Коаксиальные линии передачи обеспечивают более высокую добротность , чем плоские линии передачи. ^{[ нужна ссылка ]} и поэтому используются, когда требуется более высокая производительность. В коаксиальных резонаторах могут использоваться материалы с высокой диэлектрической постоянной, чтобы уменьшить их общий размер.

Полостные фильтры

Хорошо сконструированные резонаторные фильтры, которые до сих пор широко используются в диапазоне частот от 40 до 960 МГц, способны обеспечивать высокую селективность даже при мощной нагрузке не менее мегаватт. ^[3] Более высокой , добротности а также повышенной стабильности работы на близко расположенных (до 75 кГц) частотах можно добиться за счет увеличения внутреннего объема полостей фильтра.

Физическая длина обычных резонаторных фильтров может варьироваться от более 205 см в диапазоне 40 МГц до менее 27,5 см в диапазоне 900 МГц.

В микроволновом диапазоне (1000 МГц и выше) резонаторные фильтры становятся более практичными с точки зрения размера и значительно более высокой добротности, чем резонаторы и фильтры с сосредоточенными элементами.

Диэлектрические фильтры

Шайбы из различных диэлектрических материалов также можно использовать для изготовления резонаторов. Как и в случае с коаксиальными резонаторами, для уменьшения общего размера фильтра можно использовать материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. Благодаря диэлектрическим материалам с низкими потерями они могут обеспечить значительно более высокие характеристики, чем другие обсуждавшиеся ранее технологии.

Электроакустические фильтры

электроакустические резонаторы на основе пьезоэлектрических материалов В качестве фильтров могут быть использованы . Поскольку длина акустической волны на данной частоте на несколько порядков короче электрической длины волны, электроакустические резонаторы обычно меньше по размеру и весу, чем электромагнитные аналоги, такие как резонаторы с полостью.

Типичным примером электроакустического резонатора является кварцевый резонатор , который по существу представляет собой срез пьезоэлектрического кристалла кварца, зажатого парой электродов. Эта технология ограничена несколькими десятками мегагерц. Для микроволновых частот, обычно более 100 МГц, в большинстве фильтров используются тонкопленочные технологии, такие как поверхностных акустических волн (ПАВ) и тонкопленочных объемных акустических резонаторов структуры на основе (FBAR, TFBAR).

Волноводный фильтр

фильтр вафельницы Примером может служить .

Фильтры на основе туннелирования энергии

Это новый класс высоконастраиваемых микроволновых фильтров. Эти специальные виды фильтров могут быть реализованы на волноводах, SIW или на недорогих печатных платах и могут быть настроены на любую более низкую или более высокую частоту с помощью переключателей, вставленных в соответствующие положения для достижения широкого диапазона настройки. ^[4]

Примечания

^ «ВЧ/СВЧ-фильтры, диплексеры, дуплексеры, переключаемые банки поставщиков — RF Cafe» .
^ Маттеи, Джордж Л.; Джонс, Эл.; Янг, Лео (1980). СВЧ-фильтры, схемы согласования импедансов и структуры связи . Дедхэм, Массачусетс: Книги Artech House. ISBN 0-89006-099-1 .
^ Р. Лэй (15 февраля 1977 г.). «Фазовая и групповая задержка мегаваттного диплексера Кассегрена S-диапазона и мегаваттного передающего фильтра S-диапазона» (PDF) . Отчет о ходе работы сети дальнего космоса (DSN PR 42-37): 198–203.
^ Омар, Мухаммед; Сиддики, Омар; Рамзан, Рашад (28 декабря 2017 г.). «Новый класс перестраиваемых микроволновых фильтров на основе MET» - через ResearchGate .

Внешние ссылки

[1] «ВЧ/СВЧ-фильтры, диплексеры, дуплексеры, переключаемые банки поставщиков — RF Cafe» .

[2] Маттеи, Джордж Л.; Джонс, Эл.; Янг, Лео (1980). СВЧ-фильтры, схемы согласования импедансов и структуры связи . Дедхэм, Массачусетс: Книги Artech House. ISBN 0-89006-099-1 .

[3] Р. Лэй (15 февраля 1977 г.). «Фазовая и групповая задержка мегаваттного диплексера Кассегрена S-диапазона и мегаваттного передающего фильтра S-диапазона» (PDF) . Отчет о ходе работы сети дальнего космоса (DSN PR 42-37): 198–203.

[4] Омар, Мухаммед; Сиддики, Омар; Рамзан, Рашад (28 декабря 2017 г.). «Новый класс перестраиваемых микроволновых фильтров на основе MET» - через ResearchGate .

[1]

[2]

[3]

[4]