射頻(RF)濾波器設計持續麵臨電氣、機械和環境等方麵的挑戰。例如係統必須符合規定的外觀尺寸大小、環境溫度會左右濾波器的頻率響應飄移
、機殼材料也會影響濾波器的性能表現。設計人員必須從一開始就對上述因素做出取舍，才能設計出符合需求的解決方案。

 

 

在設計濾波器以滿足已知要求的過程中，有許多既有的挑戰。這些要求主要是在電氣、機械和環境方麵。從係統級設計所提出的約束


，例如機械尺寸之類
，通常都具有極高的重要性。本文將會討論濾波器設計過程中在射頻(RF)方麵的重大挑戰。

 

首shou先xian，本ben文wen將jiang以yi一yi款kuan現xian有you產chan品pin來lai展zhan示shi不bu同tong溫wen度du下xia頻pin率lv響xiang應ying的de漂piao移yi。這zhe種zhong頻pin率lv響xiang應ying的de漂piao移yi非fei常chang重zhong要yao，在zai設she計ji流liu程cheng開kai始shi前qian就jiu要yao牢lao牢lao記ji住zhu

，因yin為wei反fan應ying會hui根gen據ju濾lv波bo器qi工gong作zuo環huan境jing的de變bian化hua而er改gai變bian。

 

接著，將會介紹被動互調(PIM)celiangdeshezhi，zaimanzulvboqichanpinyaoqiudeguochengzhong，takenengshizuijutiaozhanxingdeguifan，zhuyaoyuanyinbaokuoquefajingquedemonigongjuyijiceliangbuzhunque。weiqingxishuomingceshideguocheng
，wenzhongyetigongceshidefangkuaitu。wenzhongyehuitichuciciceliangzhongdebuquedingxing

，bingtaolunyixieyingxiangyinsu。

 

zuihou，zetantaocharusunhaohezhaipindaixiyizhizhijiandequanheng，yetigongyixielvboqihechengdefanli，mudeshiyaoshuominggezhongyaoqiuzhijiandequanheng。raner
，zaigucishibidexianzhixia，henkeneng 無法滿足全部要求，尤其是在有限的空間內。因此，濾波器的設計人員必須要求客戶厘清不同要求之間的優先順序。

 

溫度對濾波器性能產生的影響

這裏將闡述溫度對濾波器帶外抑製的效應
，因此采用Molex旗下公司SDP Telecom所生產的COM-2J1F1-1Y2-000雙工器(圖1)，它是一台雙頻帶結合器(頻帶1=1710～1780MHz或2110M～2180MHz，頻帶2=1850～1995MHz)。

 

圖1


、COM-2J1F1-1Y2-000雙工器

 

由於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視為簡單的濾波器。由於雙頻帶濾波器超出本文所討論的範圍
，因此將重點討論頻帶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說明了該頻帶在三種溫度下的測量結果：-40℃(低溫)
、25℃(環境溫度)和+65℃(高溫)。從圖中可以看出，溫度變化對濾波器的抑製具有一定影響。對於已知的衰減值(圖2的例子約在-30dB)
，可以看出從低溫到環境溫度的漂移約為2.9MHz
，從環境溫度到高溫的漂移約為2.3MHz。

 

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，對於已知材料和濾波器的中心頻率

，可用公式1來預測頻率漂移：

 

Δf=δ ΔT f0 (1)............................公式1

 

其中，δ為10-6/℃下的熱膨脹係數，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。

 

 

將公式1應用到某些例子
，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。

 

可以發現測量結果與公式1計算結果一致。一些誤差可歸因於諧振器的形狀和內插近似值(Interpolation Approximation)。因此
，公式1可用於預測溫度漂移情況下的頻率變化。CTE δ的值不需要過高

，從而避免在衰減性能上出現重大變化，對於較廣的溫度範圍尤其是如此。

 

重要的是，在選擇諧振器材料時需要考慮一些重要因素，主要包括成本

、重量、製造方法(衝壓
、壓鑄等等)
，並且要鍍銀以防止發生PIM。圖3說明了濾波器中三種常用材料之間的折衷。

 

圖3、不同諧振器材料之間的權衡

 

鋁的成本通常較低而且重量較輕
，然而熱膨脹係數(CTE)相對較高，因此在規範要求嚴格的情況下可能並不適合。鋼材的成本效益較佳
，根據具體成分

，CTE較低
，從而讓它成為窄頻帶應用的良好選擇。但是鋼材是一種鐵磁材料(Ferromagnetic Material)，需要鍍銀處理
，這將會提高總成本。殷鋼基本上是鎳和鐵的合金，熱穩定性極高，但成本也非常高。

 

對采用不同材料諧振器的低成本解決方案做出溫度補償(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品的良好性能與可承受成本之間找到最佳平衡點。

 

PIM測試設置和考慮事項

這裏將介紹一般性的PIM測試設置，並概述可對PIM產生影響的各種因素。圖4所提出的方塊圖是一般的PIM設置，可應用於本文的待測裝置(DUT)。左上方有兩台訊號產生器，其後是兩台相同的功率放大器
，可提供極高增益(通常為50dB)，在功率放大器之後的是兩台隔離器
，它們基本上是用來保護功率放大器，以避免受到可能產生的高功率反射所影響。然後，3dB的混合設備將輸入訊號分配到兩條相同的路徑上。

 

圖4、通用PIM測試設置接收器通道濾波器的方塊圖

 

這裏采用低PIM的50歐姆(Ω)端接來終止一個輸出
，並在第二個輸出處混合訊號產生器所發出的兩種頻率(f1+f2)。使用低PIM的定向耦合器(通常為30dB的耦合)來測量待測裝置輸入中的功率，並且據此校準功率計來讀取正確的值。

 

一般比較偏愛以這種設置來精確地修正正確的輸入功率，其誤差僅等於耦合器的插入損耗(約為0.2dB)。因此，將兩台低PIM雙工器和待測裝置串聯起來。雙工器在發射(Tx)和接收(Rx)埠之間也有著高度的隔離性。所產生的任何第三個IMD訊號將轉至Rx埠，並以頻譜分析儀進行測量。

 

PIM測試可以進行兩種測量。在逆向PIM(Reverse PIM)中，應將濾波器上的輸出埠端接到高功率、低PIM的50歐姆負載。另一方麵，如圖4所示，前向PIM(Forward PIM)采用第二台雙工器，其Tx通道端接到高功率
、低PIM的50歐姆負載。第三個IMD訊號將直接轉至Rx通道，再以頻譜分析儀進行測量。

 

根據所處理的階段，在操作低PIM濾波器時有許多因素要考慮。首先
，在設計和工程的階段中，一定要減少粗糙度;jinshuzhijiandejiechuyaojinkenengdizuodaopinghua，yibimiandianhufangdian。weilequebaokeshixianhouyizhongtexing，xuyaolianghaodeduyinjishulaijiangdibiaomiandianzu。ciwai，jianyizaixunhaolujingshangcaiyongjianruidebianyuanhebimianjianci，ruqujiaojishu(Chamfering)將有助於實現此一目的。間隙不應太小，否則會產生電弧(一般不小於1毫米)。當然
，由於鐵磁材料是一種PIM的重要來源，因此嚴格要求進行鍍銀。

 

第二，在裝配階段，元件在機械加工完成後要清理掉任何毛刺以避免劃傷(即使部分劃傷)元件的表麵。焊接操作應盡可能地平順
、均勻(例如以均質的方式)，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。

 

最後，對於測試過程，首先應確保設置本身不會產生PIM，且輸入功率值應該是正確的。連接器應該要清理幹淨，將其扭矩調節至約23～24牛頓米(N.m.)。連接位置應當對中
，調諧螺釘和蓋子應經過鍍銀處理，並用防鬆螺帽(Lock Nut)上緊。

 

插入損耗/抑製之間的權衡

對於高功率濾波器模組和無線站點解決方案來說
，空腔濾波器(Cavity Filter)shiyejiepubianjieshoudefangshi。duizhiyouyouxiankongjiankeyishejilvboqidekongqiangxiezhenqieryan，qipinzhiyinshuyeyouxian，yinciyaomanzusuoxudecharusunhao，yeshiyizhongtiaozhan。yujieshouqitongdaolvboqixiangbi，charusunhaodeyaoqiuduiyufasheqitongdaolvboqilaishuogengjiazhongyao，zheshiyinweicharusunhaoyuegao，yuexuyaogengdadegonglvfangdaqi
、更大的直流電源，還要使用無線電的散熱器。

 

抑yi製zhi要yao求qiu較jiao高gao的de情qing況kuang也ye非fei常chang普pu遍bian。為wei了le抑yi製zhi住zhu功gong率lv放fang大da器qi處chu的de多duo餘yu帶dai外wai功gong率lv，此ci一yi要yao求qiu就jiu顯xian得de很hen重zhong要yao，否fou則ze將jiang提ti高gao接jie收shou器qi通tong道dao的de雜za訊xun位wei準zhun。利li用yong交jiao叉cha耦ou合he
，以yi及ji提ti高gao濾lv波bo器qi的de階jie數shu和he諧xie振zhen器qi的de數shu量liang，就jiu可ke以yi滿man足zu更geng高gao的de抑yi製zhi要yao求qiu。

 

解(jie)決(jue)這(zhe)問(wen)題(ti)看(kan)似(si)簡(jian)單(dan)，然(ran)而(er)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)在(zai)滿(man)足(zu)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)要(yao)求(qiu)之(zhi)間(jian)做(zuo)出(chu)取(qu)舍(she)。降(jiang)低(di)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)會(hui)帶(dai)來(lai)約(yue)束(shu)，例(li)如(ru)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)機(ji)械(xie)限(xian)製(zhi)、尺寸，以及製造上的偏好。這會在設計過程中產生許多折衷妥協，要根據客戶的優先順序來做出選擇。

 

圖5和圖6中的例子是用來說明為TX頻帶在390MHz至395MHz下的雙工器設計TX濾波器。具體的要求包括從380MHz到385MHz的RX頻帶下達到-85dB的抑製
，以及使TX濾波器的插入損耗保持在1.7dB以下。此外還有機械上的限製
，例如外部尺寸和連接器的位置等。

 

圖5、以六極和-85dB抑製
、2dB插入損耗所進行的濾波器設計

 

圖6、以五極和-75dB抑製、1.5dB插入損耗所進行的濾波器設計

 

為了改善插入損耗，使用品質因數高於2,000的諧振器設計並不可行，這是因為存在著機械尺寸上的限製，例如整體結構的高度
，以及製造上的考慮和公差等。

 

由you於yu機ji械xie上shang的de限xian製zhi及ji埠bu的de位wei置zhi已yi經jing預yu先xian確que定ding
，所suo以yi難nan以yi利li用yong更geng多duo交jiao叉cha耦ou合he來lai達da成cheng更geng多duo的de抑yi製zhi實shi施shi拓tuo撲pu結jie構gou。因yin此ci，可ke使shi用yong更geng多duo的de諧xie振zhen器qi來lai滿man足zu對dui抑yi製zhi的de要yao求qiu，並bing有you較jiao高gao的de插cha入ru損sun耗hao

，或huo者zhe可ke以yi在zaiRX頻帶下滿足插入損耗的要求，同時減輕抑製。

 

在zai這zhe些xie範fan例li中zhong
，對dui於yu濾lv波bo器qi的de設she計ji，應ying在zai兩liang種zhong選xuan項xiang之zhi間jian做zuo出chu選xuan擇ze，那na就jiu是shi有you較jiao佳jia的de插cha入ru損sun耗hao及ji較jiao少shao的de抑yi製zhi，還hai是shi較jiao佳jia的de抑yi製zhi與yu較jiao差cha的de插cha入ru損sun耗hao。這zhe種zhong選xuan擇ze隻zhi能neng根gen據ju客ke戶hu的de優you先xian順shun序xu來lai進jin行xing。關guan於yu這zhe一yi點dian，可ke以yi同tong時shi向xiang客ke戶hu提ti供gong兩liang種zhong設she計ji，並bing說shuo明ming其qi中zhong的de優you缺que點dian，讓rang他ta們men做zuo出chu選xuan擇ze，這zhe樣yang便bian可ke以yi在zai出chu現xian一yi定ding衝chong突tu的de情qing況kuang下xia滿man足zu其qi中zhong更geng重zhong要yao的de要yao求qiu。