Керамические фильтры радиочастотных сигналов с повышенной мощностью

 

Владимир Изотов, ведущий инженер технолог, ООО «НПП «Техно-ПАРК»

Статья размещена в «журнале Электронные Компоненты» №8

 

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.

 

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[1], 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 [1].

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) [1–2].

Рис. 1. Внешний вид керамического резонатора. L – длина резонатора

 

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).

 

Рис. 2. Внешний вид керамических фильтров на керамических резонаторах

 

 

На плате имеются гальванически несвязанные между собой контакты «земля», «вход» и «выход» (см. рис. 2) [1]. Энергия передается от одного резонатора к следующему через конденсаторы связи [2].

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 [1].

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).

Рис. 3. Микрополосковая линия керамического резонатора и общий вид керамического фильтра

 

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 [3–4].

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) [4].

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).

Рис. 4. АЧХ фильтра в полосе пропускания

Рис. 5. АЧХ фильтра в широкой полосе

 

 

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°С;
• входная мощность (макс.): 2 Вт;
• входное/выходное нагрузочное сопротивление: 50 Ом;
• корпус: SMD (9,1×7,4×4,1 мм).

Рис. 6. КСВН фильтра в полосе пропускания

 

Таким образом, этот фильтр пропускает информационный сигнал на границе L- и S-диапазонов с минимальными потерями и искажениями.

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.

Размещение материалов в журнале: anton.denisov@ecomp.ru

Литература

1. Миргород Ю.С. Малогабаритные керамические СВЧ-фильтры. Актуальные проблемы энергетики. 2017 // https://clck.ru/3Nmoih.

       2. Mini-Circuits. Understanding Ceramic Coaxial Resonator Filters // https://blog.minicircuits.com.

3. Сравнительный анализ высокоселективных LTCC-фильтров с моноблочной технологией // https://acomsupply.com.
4. Керамические фильтры СВЧ // https://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Ceramic.