超寬帶EMI濾波器在頻率高端的處理方法解析

近十幾年來，作為微波實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的屏蔽室，其應(yīng)用的頻率范圍不斷擴(kuò)展，頻率高端已由1GHz增加到18GHz，甚至40GHz，預(yù)計(jì)未來的趨勢還會(huì)增加到60GHz，甚至100GHz。為保證屏蔽室在整個(gè)適用頻段范圍的屏蔽效能，即不因電源線或信號線的引入而使干擾信號也被引入或引出屏蔽室，這就要求屏蔽室的電源濾波器和信號濾波器在同樣的頻段范圍具有規(guī)定的插入損耗。

文中介紹的超寬帶EMI濾波器在頻率高端的處理方法是利用電介質(zhì)或磁介質(zhì)的電損耗或磁損耗將高頻干擾信號轉(zhuǎn)變成熱量，從而實(shí)現(xiàn)濾波的效果。我們在濾波器中填充的電磁介質(zhì)對于低頻電磁波的吸收作用較弱，不會(huì)造成有用信號的大幅度衰減。

2.超寬帶EMI濾波器的設(shè)計(jì)思路

超寬帶EMI濾波器在頻率低端采用LC反射式濾波原理，在頻率高端采用高性能吸波材料的吸收式濾波原理。濾波器設(shè)計(jì)過程中，先根據(jù)需求方提供的通帶截止頻率、阻帶插入損耗和額定電流以及漏電流的規(guī)定對濾波器的低頻端進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，這樣就可以得到所需電感和電容的數(shù)目以及相應(yīng)的元件值，進(jìn)而畫出相應(yīng)的電路圖。由于EMI濾波器只需滿足要求的截止頻率和插入損耗，沒有特別的頻率響應(yīng)限制，因而低頻端建模采用的是電路簡單并且元器件較少的切比雪夫?yàn)V波響應(yīng)，可減小濾波器的體積和重量。

低頻端僅能解決100MHz以下的頻段，100MHz以上的頻段由于電路中導(dǎo)線的分布電感和電感線圈的分布電容等分布參數(shù)的影響導(dǎo)致LC濾波電路性能下降甚至完全失效。高頻端的處理方法是加工一段空心同軸線，在同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體之間填充磁損耗和電損耗很高的吸波材料，將高頻干擾信號在傳播路徑中衰減掉。同軸線內(nèi)外導(dǎo)體之間填充的電介質(zhì)或磁介質(zhì)，如鐵氧體、導(dǎo)電碳黑等多為導(dǎo)體，會(huì)導(dǎo)致同軸線內(nèi)外導(dǎo)體短路，為此需要在內(nèi)外導(dǎo)體之間增加一層絕緣層。

低頻端的LC濾波電路在100MHz以下的頻段具有較好的插入損耗性能，但是由于電路中的電感線圈和電容都是集總參數(shù)元件，當(dāng)工作頻率高到100MHz時(shí)，電感線圈中的分布電容和電容器中的分布電感會(huì)變成占主導(dǎo)地位的參數(shù)，使這類濾波器的插入損耗性能明顯惡化。在高頻時(shí)，填充吸波材料的同軸線卻具有良好的插入損耗特性。若要求從低頻10kHz到微波波段40GHz都具有良好的EMI抑制性能，則需要將兩種濾波器串接使用，這樣就形成了頻率低端的反射式濾波和頻率高端的吸收式濾波的超寬帶EMI濾波器的設(shè)計(jì)思路。

3.超寬帶EMI濾波器設(shè)計(jì)的應(yīng)用舉例

我們以電源濾波器為例，假設(shè)需求方有如下的技術(shù)要求：通帶截止頻率fp=1kHz，阻帶起始頻率fs=10kHz，通帶內(nèi)衰減小于3dB，阻帶內(nèi)衰減大于100dB，并且阻帶要延伸到40GHz的上限頻率。

先處理低頻端部分，采用切比雪夫逼近進(jìn)行建模。切比雪夫?yàn)V波器又稱為等波紋濾波器，這種濾波器的衰減在通帶內(nèi)呈現(xiàn)等起伏特性，起伏的大小標(biāo)志著衰減對理想均勻特性的最大偏離程度;過渡帶內(nèi)的衰減具有比巴特沃斯濾波器更快的增長速率;阻帶內(nèi)的衰減在不考慮分布參數(shù)的條件下將呈現(xiàn)出單調(diào)增加的趨勢。根據(jù)以上的技術(shù)要求可以確定切比雪夫?yàn)V波器的階數(shù)為5，元器件的連接方式分為T型和π型兩種。T型電路奇數(shù)項(xiàng)元件為電感，偶數(shù)項(xiàng)元件為電容，這樣所需的電感數(shù)目較多，在濾波器的實(shí)際制作中影響濾波器體積的主要是電感線圈的大小，采用T型電路很容易造成濾波器體積龐大，不易放置，因此元器件的連接多半采用的是π型電路。π型電路奇數(shù)項(xiàng)元件為電容，偶數(shù)項(xiàng)元件為電感，其電路圖如圖1所示。

圖中C1=6.4μF，L2=3.5mH，C3=8.4μF，L4=3.5mH，C5=6.4μF。假設(shè)輸入端和輸出端的負(fù)載電阻都為50Ω，對圖1的電路進(jìn)行拉普拉斯變換，可以求出此LC濾波電路在低頻端插入損耗的頻率響應(yīng)，其結(jié)果如圖2所示。通帶內(nèi)插入損耗具有起伏特性，但都不會(huì)高于3dB;過渡

帶插入損耗從3dB迅速上升到100dB;阻帶內(nèi)插入損耗呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢。

對高頻端的處理，先加工一定長度的同軸線，然后在內(nèi)外導(dǎo)體之間填充吸波材料，由于吸波材料一般都具有導(dǎo)電性能，因此需要保證內(nèi)外導(dǎo)體之間的絕緣性能。將低頻端的LC濾波電路和高頻端的介質(zhì)同軸線串接，用金屬殼體屏蔽封裝，便得到超寬帶EMI濾波器。表1給出了此濾波器插入損耗的檢測數(shù)據(jù)，阻帶內(nèi)的插入損耗都大于100dB，滿足預(yù)先的要求。

4.結(jié)論

本文所介紹的超寬帶EMI濾波器在大于10GHz的頻段仍然具有100dB以上的插入損耗，克服了傳統(tǒng)LC濾波器在頻率高端由于電路分布參數(shù)影響導(dǎo)致濾波性能下降的弊端。這種超寬帶EMI濾波器非常適合40GHz甚至更高工作頻率的屏蔽室使用，可以防止干擾信號通過電源線或信號線進(jìn)出屏蔽室。