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讨论滤波器设计过程中在射频(RF)方面的重大挑战

南望
助工
2019-07-05 22:02:28     打赏
射频(RF)滤波器设计持续面临电气、机械和环境等方面的挑战。例如系统必须符合规定的外观尺寸大小、环境温度会左右滤波器的频率响应飘移、机壳材料也会影响滤波器的性能表现。设计人员必须从一开始就对上述因素做出取舍，才能设计出符合需求的解决方案。
在设计滤波器以满足已知要求的过程中，有许多既有的挑战。这些要求主要是在电气、机械和环境方面。从系统级设计所提出的约束，例如机械尺寸之类，通常都具有极高的重要性。本文将会讨论滤波器设计过程中在射频(RF)方面的重大挑战。
首先，本文将以一款现有产品来展示不同温度下频率响应的漂移。这种频率响应的漂移非常重要，在设计流程开始前就要牢牢记住，因为反应会根据滤波器工作环境的变化而改变。
接着，将会介绍被动互调(PIM)测量的设置，在满足滤波器产品要求的过程中，它可能是最具挑战性的规范，主要原因包括缺乏精确的模拟工具以及测量不准确。为清晰说明测试的过程，文中也提供测试的方块图。文中也会提出此次测量中的不确定性，并讨论一些影响因素。
最后，则探讨插入损耗和窄频带隙抑制之间的权衡，也提供一些滤波器合成的范例，目的是要说明各种要求之间的权衡。然而，在顾此失彼的限制下，很可能 无法满足全部要求，尤其是在有限的空间内。因此，滤波器的设计人员必须要求客户厘清不同要求之间的优先顺序。
温度对滤波器性能产生的影响
这里将阐述温度对滤波器带外抑制的效应，因此采用Molex旗下公司SDP Telecom所生产的COM-2J1F1-1Y2-000双工器(图1)，它是一台双频带结合器(频带1=1710∼1780MHz或2110M∼2180MHz，频带2=1850∼1995MHz)。

图1、COM-2J1F1-1Y2-000双工器
由于本单元各频带之间的隔离性极高(> 50dB)，所以可将频带1视为双频带滤波器，而将频带2视为简单的滤波器。由于双频带滤波器超出本文所讨论的范围，因此将重点讨论频带2。附带一提的是，此一双工器中所有谐振器皆使用铝材料。
图2说明了该频带在三种温度下的测量结果：-40℃(低温)、25℃(环境温度)和+65℃(高温)。从图中可以看出，温度变化对滤波器的抑制具有一定影响。对于已知的衰减值(图2的例子约在-30dB)，可以看出从低温到环境温度的漂移约为2.9MHz，从环境温度到高温的漂移约为2.3MHz。

图2、三种温度下双工器频带2的传输性能及其部分放大图
一般而言，对于已知材料和滤波器的中心频率，可用公式1来预测频率漂移：
Δf=δ ΔT f0 (1)............................公式1
其中，δ为10-6/℃下的热膨胀系数，ΔT为温度变化，而f0为滤波器的中心频率。表1列出一些常用材料的δ值。

将公式1应用到某些例子，考虑到δ=23 10-6/℃(铝)和f0=1922MHz。在低温的情况下，ΔT=65℃，因此Δf≈2.874MHz，而在高温的情况下，ΔT=40℃，因此Δf≈1.768MHz。
可以发现测量结果与公式1计算结果一致。一些误差可归因于谐振器的形状和内插近似值(Interpolation Approximation)。因此，公式1可用于预测温度漂移情况下的频率变化。CTE δ的值不需要过高，从而避免在衰减性能上出现重大变化，对于较广的温度范围尤其是如此。
重要的是，在选择谐振器材料时需要考虑一些重要因素，主要包括成本、重量、制造方法(冲压、压铸等等)，并且要镀银以防止发生PIM。图3说明了滤波器中三种常用材料之间的折衷。

图3、不同谐振器材料之间的权衡
铝的成本通常较低而且重量较轻，然而热膨胀系数(CTE)相对较高，因此在规范要求严格的情况下可能并不适合。钢材的成本效益较佳，根据具体成分，CTE较低，从而让它成为窄频带应用的良好选择。但是钢材是一种铁磁材料(Ferromagnetic Material)，需要镀银处理，这将会提高总成本。殷钢基本上是镍和铁的合金，热稳定性极高，但成本也非常高。
对采用不同材料谐振器的低成本解决方案做出温度补偿(例如图3所示的钢材和铝材)是一种常用的方法。这种方法可在最终产品的良好性能与可承受成本之间找到最佳平衡点。


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船长demons
高工
2019-07-05 22:18:48     打赏
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