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选择RF和微波滤波器的八大窍门

在不了解会受到何种损害的情况下,具备高深的数字电子知识的设计师发现,当需要给无线器件确定滤波器参数时,急需复习射频基础知识。如果没有考虑滤波器类型和最低技术规格要求方面的基本要素，可能导致产品不能通过“测试”，结果产品又得重新开始设计，导致代价昂贵的生产推迟。另一方面，懂得如何准确确定滤波器参数，将有助于使生产出的产品满足客户的生产标准和功能。事实上，这种知识有助于在提高产品在市场上的成功机会的同时，控制生产费用。
从基础开始
在当今无线领域，激烈的扩展带宽的竞争迫使人们要更加关注滤波器的性能。如果对滤波器参数确定不准确，最终会导致频率冲突，反过来使设计组又得处理串扰、掉线、数据丢失以及网络连接中断的问题。
滤波器定义不完整或不准确这一问题产生的部分原因是目前电子市场对数字电子很热衷。根据某些统计，80%～90%的新电子设计工程师都是软件和数字方面的。知识缺口就在于此，因为不管传输的信息是否是数字形式，当信息通过无线电或微波传输时，载波信号总是遵守电磁学物理定律。
所幸的是，对滤波器性能参数的某些重要基础进行快速重温，可帮助工程师正确找出满足特定应用的滤波器。开始时如果选择正确，则能节省时间和金钱，在订购这些必不可少的元件时就能确保价廉物美。
1.了解基本响应曲线
滤波器的基本响应曲线包括：带通、低通、高通、带阻、双工器，如图1A-1F所示。每一个特定形状都决定了哪些频率可以通过，哪些不能通过。
无疑，这一组中最常见的是带通滤波器。所有工程师都知道，带通滤波器允许两个特定频率之间的信号通过，对其它频率的信号进行抑制。例如声表面波滤波器（SAW）、晶体滤波器、陶瓷和腔体滤波器。作为参考，Anatech Electronics公司制造的腔体带通滤波器的频率覆盖范围为15 MHz～20 GHz，带宽在1%～100%范围。下表给出了Anatech Electronics公司的集总元件带通滤波器的全部技术参数。所有制造商都采用了用滤波器中心频率两边0.5 dB、1 dB或3 dB衰减点定义通频带的方法。
2．包括所有必要的技术参数
经常出现这一情况，工程师给出一个需要“一个100 MHz带通滤波器”的简短要求，这一要求显然信息量太少了。滤波器供应商实在难以根据这么点信息就签单。
给出所有必要的信息从详细给出所有频率参数开始，如：
中心频率（Fo): 通常定义为带通滤波器（或带阻滤波器）的两个3 dB点之间的中点，一般用两个3 dB点的算术平均来表示。
截止频率（Fc):为低通滤波器或高通滤波器的通带到阻带开始的转换点，该转换点一般为3 dB点。
抑制频率：信号衰减某些特定值或值的集合的特定频率或频率组。有时定义理想通带之外的频率区为抑制频率或频率组，所经过的衰减称为抑制。

滤波器类型决定了特定频率。对带通和带阻滤波器，特定频率为中心频率。对低通和高通滤波器，特定频率为截止频率。
为了完整起见，工程师还应定义下列特性，如：
阻带：滤波器不传输的特定频率值之间的频率带。
隔离：双工器中，考虑接收（Rx）通道时为抑制传输（Tx）频率的能力，考虑传输（Tx）频率时为抑制接收（Rx）频率的能力，称为Rx/Tx隔离。隔离度越高，滤波器能够将Rx信号与Tx信号隔离开的能力就越强，反之亦然。其结果是传输和接收信号都更加干净。
插入损耗（IL)：表示器件中功率损耗的一个值，IL =10Log(Pl/Pin), 与频率无关，其中Pl为负载功率，Pin为从发生器输入的功率。
回波损耗（RL):为滤波器性能的一种度量，表示滤波器输入和输出阻抗接近理想阻抗值的程度。回波损耗定义为：RL = 10Log(Pr/Pin)，与频率无关，其中Pr为反射回发生器的功率。
群延迟(GD): 群延迟表示器件相位线性的大小。由于相位延迟出现于滤波器的输出端，了解这种相移随频率的变化是否为线性很重要。如果相移随频率非线性变化，输出波形将发生畸变。群延迟定义为相移随频率变化的导数。因为线性函数的导数为常数，所以线性相移引起的群延迟为常数。
形状因子（SF): 滤波器的形状因子通常为阻带带宽（BW)与3 dB带宽的比值。它是滤波器边缘的陡峭程度的一种量度。例如，如果40 dB带宽为40 MHz，3 dB带宽10 MHz，则形状因子为40/10=4。
阻抗：以欧姆为单位的滤波器源阻抗（输入）和端接阻抗（输出）。一般情况下，输入阻抗和输出阻抗相同。
相对衰减：测到的最小衰减点处衰减与理想抑制点的衰减的差异。通常，相对衰减以dBc为单位表示。
纹波（Ar):表示滤波器通频带平坦度的大小，一般以分贝表示。滤波器纹波的大小影响回波损耗。纹波越大，则回波损耗越严重，反之亦然。
抑制：同上。
工作温度：滤波器设计的工作温度范围。

3．不要追求不切实际的滤波器特性
工程师有时会提出如下的要求：“我需要通频带为1,490～1,510 MHz，1,511 MHz处的抑制大小为70 dB。”这一要求无法实现。实际上，抑制是逐渐变化的，不是90°急剧下降，更实际的参数为偏离中心频率约10%。
另一个情况是要求滤波器例如“抑制1,960 MHz频率以上的所有成分。”这时，工程师必须意识到不可能衰减该抑制频率直到无限高频率之间的所有频率。必须设置某些边界。更现实的方法或许是，将通频带附近的特定抑制频率衰减两到三倍。
4．争取实现合理的VSWR
常使用电压驻波比（VSWR）表示滤波器的效率，为一比值，大小在1到无穷大之间，用来表示反射能量的大小。1表示所有能量都无损耗通过。大于1 的所有值都表示有部分能量被反射，即浪费了。
但是，在实际的电子电路中，1:1 的VSWR几乎不可能达到。通常，比值1:5更实际一些。如果要求达到的值小于该值，则会降低效益成本比。
5．考虑功率处理能力
功率处理能力为以瓦为单位的额定平均功率，超过该值则滤波器性能会降低或者失效。此外还需要注意，滤波器的尺寸在某种程度上决定于其功率处理能力的要求。一般地，功率越大，则滤波器所占电路板面积越大。制造商，如Anatech，一直致力于使用新型算法来满足这些挑战性的利益需求，预先在算法上作规划能节省成本。
6．同时、双向通讯中的隔离因素
隔离是双工器的一个特别重要的方面，从接收通道看时，隔离表示滤波器抑制传输频率的能力，反之亦然。隔离越大，则两者分得越开，传输信号和接收信号就越干净。
7．注意作出取舍
性能越高则成本越高。这正是为什么需要准确定义的原因，因为准确定义可以减少不需要的极端情况，因而能够避免不必要的费用开支。
除此之外，对其他因素也需要互相权衡。例如，抑制频率与中心频率越接近，则滤波器越复杂，这有时会造成插入损耗更大。
另外，滤波器性能越高通常使其占板面积越大。例如，从通频带到抑制的非常陡峭的转变需要具备更多腔体和段数，使滤波器更复杂。但是如果电路板费用很重要，则性能有时必须有所削减。
8．寻找可以在各种要求之间作出平衡的制造商
虽然滤波器销售商与滤波器性能的固有特性无关，但选择滤波器销售商时，还是需要像关注元件本身要求一样对此予以关注。一个优秀而稳定的专门生产滤波器的制造商，能时常生产出特定部件来弥补产品设计缺陷。
例如，Anatech公司，通过使用特殊的设计技术进行增强插入损耗、选择性以及功率处理容量等参数。如果具备自身设计和制造能力，则可以在不用丢弃产品原始电路设计的情况下，实现例如中心频率的移动。同样，最后封装的改变可以通过将某一输入/输出连接器从一种型号换为另一种而实现。这种灵活性可以避免产品成本超出计划的情况发生。