В этой статье рассматриваются основные преимущества и недостатки современных керамических радиочастотных фильтров. Данная публикация предназначена, в первую очередь, для специалистов в области СВЧ-техники, радиолюбителей, а также для всех, кто интересуется вопросами фильтрации радиочастотных сигналов.
Владимир ИЗОТОВ, ведущий инженер-технолог, ООО «НПП «Техно-ПАРК»
Введение
При разработке, проектировании и использовании систем передачи информации возникает вопрос о качественной передаче сигнала без искажений. Кроме того, радиочастотные сигналы могут иметь повышенную мощность (более 1 Вт). Предъявляются жесткие требования к устройствам фильтрации РЧ-сигнала: они должны вносить малое затухание в радиочастотный тракт, фильтровать сигнал с малыми искажениями и устойчиво функционировать при мощном входном сигнале, быть компактными и удобными в установке.
ПАВ‑фильтры, как правило, не выдерживают входные сигналы, мощность которых превышает 100 мВт (20 дБм): образуется электромагнитная волна с большой амплитудой напряженности. При такой амплитуде внутри пьезоэлектрической подложки возникают смещения атомов и кристаллографических плоскостей. Вся структура деформируется, что препятствует дальнейшей фильтрации сигнала. При последующем повышении мощности возникает «пробой» встречно-штыревых структур с выгоранием их части, и как следствие, выходит из строя весь фильтр. В то же время, объемные резонаторные фильтры и LC-фильтры способны функционировать в условиях повышенной входной мощности, однако у фильтров этого типа достаточно большие размеры. Керамические фильтры являются оптимальным решением для фильтрации сигналов повышенной мощности, а их миниатюрные размеры позволяют осуществлять монтаж на печатную плату в автоматическом режиме. Заметим также, что высокое значение удельной теплоемкости керамики позволяет таким фильтрам быть менее чувствительным к изменениям температуры окружающей среды.
Существуют две разные технологии производства керамических фильтров: объемные монолитные на дискретных резонаторах и моноблочные конструкции с микрополосковой металлизацией.
Керамические фильтры на дискретных резонаторах
Керамические фильтры, центральные частоты которых меньше 3000 МГц, реализуются в виде магнитной связи отдельных керамических резонаторов. Керамический резонатор представляет собой длинную симметричную линию, на одном из торцов которой нанесено металлизированное покрытие. Этот торец определяет емкость резонатора и является местом крепления резонатора к фильтру (рис. 1). Длина резонатора должна быть близка к значению λ/4, где λ – длина проходящей через фильтр электромагнитной волны.
При использовании нескольких керамических резонаторов с разной добротностью и длиной можно получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) с учетом технических требований заказчика. Резонаторы устанавливаются на плату, предназначенную для поверхностного монтажа (рис. 2). На плате имеются гальванически несвязанные между собой контакты «земля», «вход» и «выход» (см. рис. 2) Энергия передается от одного резонатора к следующему через конденсаторы связи.
Принципиально геометрические размеры керамического резонатора и диэлектрическая проницаемость керамического материала ε определяют волновое сопротивление Z0 коаксиального резонатора.
К преимуществам такой конструкции можно отнести настройку каждого резонатора по отдельности, что позволяет получить требуемую АЧХ фильтра.
К недостаткам керамических фильтров на керамических резонаторах относятся большие габариты при использовании нескольких резонаторов и сложность изготовления изделия.
Моноблочной конструкции Керамических фильтров
Другой вариант реализации керамических фильтров – моноблочная конструкция.
Керамические моноблочные фильтры представляют собой тип керамического фильтра, в котором ряд керамических резонаторов был отлит в один блок при высокой температуре. Моноблочные фильтры более компактны, чем их дискретные резонаторные аналоги. Резонаторные сборки реализованы как единое целое, включают в себя всю емкостную связь и могут быть припаяны непосредственно к печатной плате (рис. 3). Керамические моноблочные полосовые фильтры характеризуются низкими вносимыми потерями в полосе пропускания, спадами с большой крутизной при переходе от полосы пропускания к полосам заграждения. Подавление сигналов в полосах заграждения составляет в среднем 30–50 дБ. Это значит, что сигналы вне диапазона пропускания подавляются более чем в 1000 раз.
К преимуществам такой конструкции относятся возможность реализации фильтров для широкого частотного диапазона до 10 ГГц и высокая механическая прочность.
Главный недостаток СВЧ-фильтров этого вида – относительно низкая добротность резонаторных элементов (200–250).
Пример компании ООО «НПП «Техно-ПАРК»
Компания «НПП «Техно-ПАРК» выпускает монолитные керамические фильтры под собственным брендом FPC. Эти изделия отличаются повышенной входной мощностью радиочастотного сигнала, малой неравномерностью в полосе пропускания, широким частотным диапазоном (рис. 4–5).
В качестве примера перечислим основные параметры фильтра FPC‑1995B30:
- частота (ном.): 1995 МГц;
- минимальное вносимое затухание в диапазоне 1980…2010 МГц: 0,6 дБ;
- ширина полосы пропускания по уровню –1 дБ: не менее 30 МГц;
- неравномерность затухания в диапазоне 1980…2010 МГц: 0,5 дБ;
- коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) в диапазоне 1980…2010 МГц: не более 1,5 (рис. 6);
- гарантированное относительное затухание: более 40 дБ;
- диапазон рабочих температур: –40…85°C;
- входная мощность (макс.): 2 Вт;
- входное/выходное нагрузочное сопротивление: 50 Ом;
- корпус: SMD (9,1x7,4x4,1 мм).
Таким образом, этот фильтр пропускает информационный сигнал на границе L‑ и S‑диапазонов с минимальными потерями и искажениями.
Заключение
Керамические фильтры подходят для устройств сотовой связи, навигационных систем, автомобильной промышленности и других применений, где обрабатываются высокочастотные сигналы повышенной мощности.
Инженеры компании «НПП «Техно-ПАРК» готовы подобрать оптимальное решение в виде керамических фильтров под запрос заказчика.
Литература
- Миргород Ю. С. Малогабаритные керамические СВЧ-фильтры.
- Актуальные проблемы энергетики. 2017 // https://clck.ru/3Nmoih.
- Mini-Circuits. Understanding Ceramic Coaxial Resonator Filters // https://blog.minicircuits.com.
- Сравнительный анализ высокоселективных LTCC-фильтров с моноблочной технологией // https://acomsupply.com.
- Керамические фильтры СВЧ // https://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Ceramic.