【选型】浅析如何选择适合滤波器的线路板材料

高频滤波器已经成为无线产品中越来越重要的组成部分,特别是那些频谱受限制的无线产品。各类型射频/微波滤波器能协助无线电发射和接收组件在良好的信号下工作,而免受外部信号的干扰。PCB电路滤波器可以设计成适合各种频带的滤波器:包括带通、带阻、低通或高通滤波器。这些滤波器可使用多种不同的传输线技术:包括微带线、带状线、共面波导(CPW)传输线。为了获得最佳性能,滤波器设计工程师应该使用最佳特性的印制电路板(PCB)材料来设计射频/微波滤波器。电路板材料的选择不仅影响滤波器的性能,甚至还会影响滤波器电路的尺寸。


滤波器的作用是让有用信号的频谱通过,屏蔽不需要的信号,同时还要减小目标信号的衰减。不同类型滤波器可以在信号的频谱区域内实现以下不同功能:阻带、通带、以及阻带与通带之间的过渡带。例如,低通滤波器的通带在低于目标频率的部分,阻带在高于目标频率的部分,过渡带位于通带和阻带之间。高通滤波器则相反。通带在高于目标频率的部分,阻带在低于目标频率的部分,同样它们之间也存在一个过渡带。带通滤波器则由通带、上、下阻带以及两个过渡带区域组成。而带阻滤波器正好相反,由过渡带区连接阻带和上下通带。


不同滤波器的过渡带可以由不同的传递函数来表示。例如,切比雪夫滤波器,从通带到阻带的过渡曲线很陡峭;即在很窄的频谱内由最低的信号损耗过渡到最高的信号衰减。巴特沃斯或二项式滤波器则可以使通带平滑地过渡到阻带。它需要一个更宽的过渡带来实现滤波器两个频带间的过渡。与切比雪夫滤波器过渡带较窄相比,其优势是可以降低损耗和纹波。


滤波器的频率响应实际上是它在不同频谱区域响应的叠加。传递函数对通带和阻带的损耗特性具有特别大的影响。切比雪夫滤波器能实现从通带到阻带快速且顺利的过渡,但在幅度上的变化或波动会增加通带的输入损耗。巴特沃斯滤波器可以实现更加平缓的通带插入损耗的过渡,但与切比雪夫滤波器相比对其靠近通带的信号衰减较少。


PCB电路滤波器设计工程师不仅需要设计所需频率范围内的滤波器响应特性,而且还需要通过使用阻抗匹配节来减少滤波器输入和输出端口的传输和反射损耗。输入和输出端口通常采用同轴连接器,并且最常用的特性阻抗是50Ω。电路板材的选择对一个特定的滤波器的设计有什么影响,为什么要用这种特殊类型的电路材料,而不是其他的?


在设计之前,滤波器设计工程师会把介电常数(DK)作为筛选PCB电路板材料的关键参数。通常PCB滤波器具有谐振电路的结构,例如,用于边缘耦合微带线带通滤波器的四分之一波长或半波长谐振器。特定谐振器特性的传输线电路的尺寸和谐振频率,由板材的介电常数决定。当小型化成为滤波器设计的一个重要指标时,就需要具有较高介电常数的板材,这种高DK材料可以设计出满足波长和频率要求的小型滤波器谐振器结构。通常情况下,为了保证可预期的、可重复的滤波器和谐振性能,需要电路板材的介电常数应尽可能保持一致,以及保证严格的公差。


许多设计工程师在用计算机模拟仿真滤波器时通常将材料的z轴介电常数作为材料的初始介电常数值。他们可能没有意识到所选材料是各向异性的:x-y平面的介电常数与z轴(厚度)方向的介电常数值是不同的。由于各向异性,在正确建模和设计适合的微带边缘耦合带通滤波器,x-y平面的耦合场应被计算为x-y平面介电常数值的函数。另外,滤波器设计者可以选择更多的各向同性的电路板材,以简化设计过程。


在一般情况下,较低介电常数值的电路板材比较高介电常数值的电路板材的各向同性要好。罗杰斯的两款商用电路板材料:RO3003和RO3010电路材料分别具有较低和较高的介电常数值,而且分别具有不同程度的各向同性。RO3003层压板材的z轴介电常数是3.00(z轴公差为±0.04),同样地,x-y平面也具有较低的介电常数值。RO3003可以认为是一款真正的各向同性材料。当使用商用计算机辅助工程(CAE)进行电路仿真时,设计耦合共振结构滤波器,如微带边缘耦合带通滤波器,往往仿真与首次设计高度吻合。


然而,在某一给定频率下需要设计更小的滤波器电路,RO3010电路板材有更高的z轴介电常数值,其值为10.2(z轴±0.30公差)。它比RO3003材料具有更加明显的各向异性,其x-y平面的介电常数值更接近RO3003材料的3.0。这意味着滤波器的设计和计算机模拟仿真必须考虑x-y平面的介电常数值与RO3010材料的z轴介电常数值的差异。但这种材料较高的介电常数会显著增加谐振结构的耦合,从而改善滤波器设计的整体性能同时缩小其尺寸。

2016-10-12    Rogers
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