射频滤波器设计取舍费思量

美好的一天

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。

PIM测试设置和考虑事项
这里将介绍一般性的PIM测试设置，并概述可对PIM产生影响的各种因素。图4所提出的方块图是一般的PIM设置，可应用于本文的待测装置(DUT)。左上方有两台讯号产生器，其后是两台相同的功率放大器，可提供极高增益(通常为50dB)，在功率放大器之后的是两台隔离器，它们基本上是用来保护功率放大器，以避免受到可能产生的高功率反射所影响。然后，3dB的混合设备将输入讯号分配到两条相同的路径上。

图4、通用PIM测试设置接收器通道滤波器的方块图

这里采用低PIM的50欧姆(Ω)端接来终止一个输出，并在第二个输出处混合讯号产生器所发出的两种频率(f1+f2)。使用低PIM的定向耦合器(通常为30dB的耦合)来测量待测装置输入中的功率，并且据此校准功率计来读取正确的值。
一般比较偏爱以这种设置来精确地修正正确的输入功率，其误差仅等于耦合器的插入损耗(约为0.2dB)。因此，将两台低PIM双工器和待测装置串联起来。双工器在发射(Tx)和接收(Rx)埠之间也有着高度的隔离性。所产生的任何第三个IMD讯号将转至Rx埠，并以频谱分析仪进行测量。
PIM测试可以进行两种测量。在逆向PIM(Reverse PIM)中，应将滤波器上的输出埠端接到高功率、低PIM的50欧姆负载。另一方面，如图4所示，前向PIM(Forward PIM)采用第二台双工器，其Tx通道端接到高功率、低PIM的50欧姆负载。第三个IMD讯号将直接转至Rx通道，再以频谱分析仪进行测量。
根据所处理的阶段，在操作低PIM滤波器时有许多因素要考虑。首先，在设计和工程的阶段中，一定要减少粗糙度；金属之间的接触要尽可能地做到平滑，以避免电弧放电。为了确保可实现后一种特性，需要良好的镀银技术来降低表面电阻。此外，建议在讯号路径上采用尖锐的边缘和避免尖刺，如去角技术(Chamfering)将有助于实现此一目的。间隙不应太小，否则会产生电弧(一般不小于1毫米)。当然，由于铁磁材料是一种PIM的重要来源，因此严格要求进行镀银。
第二，在装配阶段，元件在机械加工完成后要清理掉任何毛刺以避免划伤(即使部分划伤)元件的表面。焊接操作应尽可能地平顺、均匀(例如以均质的方式)，不得使元件承受压力(弯曲)。理想的方法是使用凸缘型(Flange Type)连接器。
最后，对于测试过程，首先应确保设置本身不会产生PIM，且输入功率值应该是正确的。连接器应该要清理干净，将其扭矩调节至约23～24牛顿米(N.m.)。连接位置应当对中，调谐螺钉和盖子应经过镀银处理，并用防松螺帽(Lock Nut)上紧。

插入损耗/抑制之间的权衡
对于高功率滤波器模组和无线站点解决方案来说，空腔滤波器(Cavity Filter)是业界普遍接受的方式。对只有有限空间可以设计滤波器的空腔谐振器而言，其品质因数也有限，因此要满足所需的插入损耗，也是一种挑战。与接收器通道滤波器相比，插入损耗的要求对于发射器通道滤波器来说更加重要，这是因为插入损耗越高，越需要更大的功率放大器、更大的直流电源，还要使用无线电的散热器。
抑制要求较高的情况也非常普遍。为了抑制住功率放大器处的多余带外功率，此一要求就显得很重要，否则将提高接收器通道的杂讯位准。利用交叉耦合，以及提高滤波器的阶数和谐振器的数量，就可以满足更高的抑制要求。
解决这问题看似简单，然而滤波器的设计人员必须在满足各种不同要求之间做出取舍。降低制造成本的要求也会带来约束，例如各种不同的机械限制、尺寸，以及制造上的偏好。这会在设计过程中产生许多折衷妥协，要根据客户的优先顺序来做出选择。
图5和图6中的例子是用来说明为TX频带在390MHz至395MHz下的双工器设计TX滤波器。具体的要求包括从380MHz到385MHz的RX频带下达到-85dB的抑制，以及使TX滤波器的插入损耗保持在1.7dB以下。此外还有机械上的限制，例如外部尺寸和连接器的位置等。

图5、以六极和-85dB抑制、2dB插入损耗所进行的滤波器设计

图6、以五极和-75dB抑制、1.5dB插入损耗所进行的滤波器设计

为了改善插入损耗，使用品质因数高于2,000的谐振器设计并不可行，这是因为存在着机械尺寸上的限制，例如整体结构的高度，以及制造上的考虑和公差等。
由于机械上的限制及埠的位置已经预先确定，所以难以利用更多交叉耦合来达成更多的抑制实施拓扑结构。因此，可使用更多的谐振器来满足对抑制的要求，并有较高的插入损耗，或者可以在RX频带下满足插入损耗的要求，同时减轻抑制。
在这些范例中，对于滤波器的设计，应在两种选项之间做出选择，那就是有较佳的插入损耗及较少的抑制，还是较佳的抑制与较差的插入损耗。这种选择只能根据客户的优先顺序来进行。关于这一点，可以同时向客户提供两种设计，并说明其中的优缺点，让他们做出选择，这样便可以在出现一定冲突的情况下满足其中更重要的要求。