基于PCB板的高性能大功率濾波器設(shè)計(jì)

 摘要 介紹了一種減小大功率濾波器的插入損耗和提高濾波器帶外抑制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過合理選擇濾波器的結(jié)構(gòu)和元器件，以及印制板的板材，并在濾波器設(shè)計(jì)過程中充分考慮印制板布線對(duì)不同頻率的影響，盡量采用均勻傳輸線進(jìn)行設(shè)計(jì)，理論設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐相結(jié)合，使高性能大功率濾波器的設(shè)計(jì)更容易。

隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，用EDA軟件進(jìn)行濾波器仿真設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。對(duì)于小信號(hào)濾波器而言，EDA軟件仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試值較為接近，可采用EDA軟件指導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)。但在實(shí)際工作中，會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)出的濾波器性能指標(biāo)與EDA仿真出的濾波器理論值相差甚遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的濾波器無法滿足設(shè)計(jì)需求，這種現(xiàn)象在大功率濾波器設(shè)計(jì)過程中較為普遍。目前針對(duì)濾波器理論設(shè)計(jì)的教程有多種，但很難找到小功率和大功率濾波器區(qū)別設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。本文結(jié)合工程實(shí)踐，分析了可能影響大功率濾波器性能的因素，設(shè)計(jì)大功率濾波器時(shí)充分考慮這些因素，便可設(shè)計(jì)出高性能的大功率濾波器。

1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)于濾波器而言，其主要指標(biāo)包括插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)和帶外抑制等，大功率濾波器相對(duì)于小功濾波器而言，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)主要有：選擇良好的濾波器元器件和濾波器第一階電路的結(jié)構(gòu)，合理選擇印制板板材，并對(duì)印制板走線采用均勻傳輸線設(shè)計(jì)。

1.1 濾波器元器件的選擇

濾波器因其固有的插入損耗，會(huì)導(dǎo)致一部分能量轉(zhuǎn)換為熱量。對(duì)于小信號(hào)濾波器設(shè)計(jì)而言，因信號(hào)功率較小，損耗產(chǎn)生的熱量也小，因此，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重影響，故可忽略不計(jì)。但對(duì)大功率濾波器而言，濾波器元件的選擇是關(guān)鍵，即使濾波器只有損耗的零點(diǎn)幾dB，也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致濾波器器件溫度上升、性能下降、甚至嚴(yán)重?fù)p壞。因此要合理選擇濾波器器件的材質(zhì)、損耗和功率容量等，避免器件參數(shù)選擇不當(dāng)產(chǎn)生問題。

1.2 濾波器第一階電路的選擇

從濾波器對(duì)無用信號(hào)作用的效果可分為反射式濾波器和吸收式濾波器。在濾波器的仿真設(shè)計(jì)中，EDA軟件通常會(huì)給出反射式濾波器，即濾波器對(duì)于無用信號(hào)的濾除方式是全部反射，這種濾波器設(shè)計(jì)對(duì)于小信號(hào)而言，因信號(hào)較小，無用信號(hào)即使經(jīng)過多次反射然后被電路吸收，也不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生過大影響，但對(duì)于大功率信號(hào)而言，該種被濾波器反射的信號(hào)會(huì)被反射到源端，引起源端信號(hào)的失真，且此種多次反射信號(hào)，也會(huì)造成對(duì)濾波器的阻抗失配，進(jìn)而導(dǎo)致濾波器指標(biāo)下降。該問題是導(dǎo)致濾波器理論仿真值與實(shí)際偏差的主要原因之一。

與反射式濾波器相對(duì)應(yīng)的還有一種吸收式濾波器。該濾波器就是對(duì)無用信號(hào)的濾除主要以吸收為主。吸收式濾波器避免了無用信號(hào)在信號(hào)回路中的多次反射，這種特點(diǎn)決定了在大功率濾波器設(shè)計(jì)中吸收式濾波器要比反射式濾波器效果更好。而吸收式濾波器的吸收功能主要體現(xiàn)在濾波器的第一階，典型的應(yīng)用有在濾波器的輸入和輸出端放置一個(gè)m=0.6的推演式濾波器電路，相應(yīng)的濾波器與特性阻抗Z0的匹配性最佳。也可參考雙工器的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，在濾波器的輸入輸出端增加一個(gè)電路，吸收無用信號(hào)，并傳輸有用信號(hào)。

1.3 印制板板材的選擇

本文介紹的濾波器主要基于是PCB板所設(shè)計(jì)的。根據(jù)傳輸線理論，射頻信號(hào)在印制板電路中傳輸時(shí)，印制板板材的介電常數(shù)與射頻信號(hào)的損耗成正比，若想濾波器設(shè)計(jì)的損耗小，一般需選擇介電常數(shù)較小的高頻板材。典型高頻板材有聚四氟乙烯板材，常用的環(huán)氧玻璃布層壓板(FR-4)，其介電常數(shù)通常均>4，而對(duì)于聚四氟乙烯板材的介電常數(shù)一般在2～3之間。

1.4 對(duì)印制板布線采用均勻傳輸線設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，PCB走線對(duì)濾波器的影響也是常被忽略的一個(gè)問題，這就導(dǎo)致了濾波器理論仿真值與實(shí)際所偏差的重要原因。對(duì)于小信號(hào)而言，因功率小，即使濾波器損耗大也不會(huì)產(chǎn)生過多的熱量，且容易通過其他方面對(duì)損耗進(jìn)行補(bǔ)充。但對(duì)于大功率濾波器而言，信號(hào)功率較大，且多處于信號(hào)的末級(jí)，一旦插入損耗大或帶內(nèi)波動(dòng)大，不僅會(huì)導(dǎo)致器件大量發(fā)熱，且難以補(bǔ)償。假如印制板布線采用均勻傳輸線，可將濾波器內(nèi)部的阻抗不匹配減至最小。盡可能減小印制板走線對(duì)不同頻率的影響，其是減小濾波器損耗及帶內(nèi)波動(dòng)的有效手段。

在大功率濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意濾波器元器件的選擇，避免器件功率容量不足導(dǎo)致的失真;合理選擇濾波器的結(jié)構(gòu)，在輸入端使用吸收式濾波器結(jié)構(gòu)，避免無用信號(hào)多次反射對(duì)電路阻抗的影響;合理選擇印制板的板材;在濾波器的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)濾波器的印制板布線采用均勻傳輸線進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過以上方式，便可設(shè)計(jì)出其較為理想的大功率濾波器。

2 設(shè)計(jì)案例

設(shè)計(jì)一個(gè)9階30～88 MHz大功率帶通濾波器，其指標(biāo)要求為：頻段范圍30～88 MHz;承受功率為100 W;在30～88 MHz頻段內(nèi)插入損耗<0.7 dB;帶內(nèi)波動(dòng)<0.3 dB;帶外抑制>25 dB。

根據(jù)要求，理論仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)9階30～88 MHz大功率帶通濾波器，該濾波器的ADS仿真曲線如圖1所示。從仿真結(jié)果可看出，所設(shè)計(jì)的濾波器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)ADS仿真電路完成濾波器設(shè)計(jì)后，實(shí)際測(cè)試濾波器的插入損耗和帶內(nèi)波動(dòng)的等效曲線如圖2所示。

同時(shí)，選擇了幾個(gè)較為關(guān)注的頻點(diǎn)，對(duì)濾波器進(jìn)行帶外抑制測(cè)試，當(dāng)輸入平均功率為100 W時(shí)，濾波器帶外抑制測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由圖1和圖2比較可看出，實(shí)際測(cè)試出的大功率濾波器插入損耗值在濾波器的低端30 MHz時(shí)，損耗約為0.4 dB;在高段88 MHz時(shí)損耗達(dá)到約1.27 dB，帶內(nèi)波動(dòng)達(dá)到約0.8 dB;通過表1的濾波器帶外抑制測(cè)試結(jié)果可知，帶外抑制理論約25 dB，但通過輸入100 W功率的實(shí)際信號(hào)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)帶外抑制僅為16 dB，實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器測(cè)試值與理論仿真值差距較大，無法滿足設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)濾波器進(jìn)行了仔細(xì)分析，并結(jié)合大功率濾波器的設(shè)計(jì)思路，對(duì)濾波器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將濾波器的第一階改進(jìn)為吸收式濾波器;通過計(jì)算功率損耗所能產(chǎn)生的熱量，重新選擇了濾波器器件功率容量;對(duì)印制板板材進(jìn)行了重新選型，選擇了介電常數(shù)約有2.4的聚四氟乙烯板材，同時(shí)采用阻抗計(jì)算軟件Polar對(duì)印制板采用均勻傳輸線設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的濾波器原理仿真曲線如圖3所示。設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)測(cè)等效曲線如圖4所示。

濾波器帶外抑制測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖4和表2可看出，改進(jìn)后的濾波器端30 MHz時(shí)損耗只有0.4 dB，高段88 MHz時(shí)損耗可達(dá)0.6 dB，帶內(nèi)波動(dòng)約為0.2 dB;帶外抑制，通過實(shí)際測(cè)試均優(yōu)于25 dB，這與圖3的理論仿真基本吻合，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)束語

充分利用各種成熟濾波器技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)踐中濾波器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇濾波器的元器件與印制板的板材，并在其設(shè)計(jì)過程中對(duì)濾波器的印制板布線采用均勻傳輸線進(jìn)行設(shè)計(jì)，使高性能大功率濾波器的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。