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解讀射頻濾波器設(shè)計(jì)取舍費(fèi)思量

發(fā)布時(shí)間:2019-09-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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)。
 
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(kāi)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。
 
解讀射頻濾波器設(shè)計(jì)取舍費(fèi)思量
 
在設(shè)計(jì)濾波器以滿足已知要求的過(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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(shuō)明測(cè)試的過(guò)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(shuō)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(wú)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(圖1),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)。
 
解讀射頻濾波器設(shè)計(jì)取舍費(fèi)思量
圖1、COM-2J1F1-1Y2-000雙工器
 
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(shuō)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。
 
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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(lái)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。
 
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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(guò)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(shuō)明了濾波器中三種常用材料之間的折衷。
 
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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(lái)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。
 
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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(lái)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(lái)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(lái)讀取正確的值。
 
一般比較偏愛(ài)以這種設(shè)置來(lái)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(lái)。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??蓪?shí)現(xiàn)后一種特性,需要良好的鍍銀技術(shù)來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(wú)線站點(diǎn)解決方案來(lái)說(shuō),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(lái)說(shuō)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(wú)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(wèn)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(lái)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(guò)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(lái)做出選擇。
 
圖5和圖6中的例子是用來(lái)說(shuō)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。
 
解讀射頻濾波器設(shè)計(jì)取舍費(fèi)思量
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)
 
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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(lái)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(lái)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(lái)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(shuō)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。
 
 
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