射頻影響牽一發(fā)動(dòng)全局 濾波器設計取舍費思量

射頻（RF）濾波器設計持續面臨電氣、機械和環(huán)境等方面的挑戰。例如系統必須符合規定的外觀(guān)尺寸大小、環(huán)境溫度會(huì )左右濾波器的頻率響應飄移、機殼材料也會(huì )影響濾波器的性能表現。設計人員必須從一開(kāi)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(mǎn)足已知要求的過(guò)程中，有許多既有的挑戰。這些要求主要是在電氣、機械和環(huán)境方面。從系統級設計所提出的約束，例如機械尺寸之類(lèi)，通常都具有極高的重要性。本文將會(huì )討論濾波器設計過(guò)程中在射頻（RF）方面的重大挑戰。

首先，本文將以一款現有產(chǎn)品來(lái)展示不同溫度下頻率響應的漂移。這種頻率響應的漂移非常重要，在設計流程開(kāi)始前就要牢牢記住，因為反應會(huì )根據濾波器工作環(huán)境的變化而改變。

圖1：COM-2J1F1-1Y2-000雙工器

接著(zhù)，將會(huì )介紹被動(dòng)互調（PIM）測量的設置，在滿(mǎn)足濾波器產(chǎn)品要求的過(guò)程中，它可能是最具挑戰性的規范，主要原因包括缺乏精確的模擬工具以及測量不準確。為清晰說(shuō)明測試的過(guò)程，文中也提供測試的方塊圖。文中也會(huì )提出此次測量中的不確定性，并討論一些影響因素。

最后，則探討插入損耗和窄頻帶隙抑制之間的權衡，也提供一些濾波器合成的范例，目的是要說(shuō)明各種要求之間的權衡。然而，在顧此失彼的限制下，很可能 無(wú)法滿(mǎn)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(hù)厘清不同要求之間的優(yōu)先順序。

溫度對濾波器性能產(chǎn)生的影響

這里將闡述溫度對濾波器帶外抑制的效應，因此采用Molex旗下公司SDP Telecom所生產(chǎn)的COM-2J1F1-1Y2-000雙工器（圖1），它是一臺雙頻帶結合器。

由于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(jiǎn)單的濾波器。由于雙頻帶濾波器超出本文所討論的范圍，因此將重點(diǎn)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(shuō)明了該頻帶在三種溫度下的測量結果：-40℃（低溫）、25℃（環(huán)境溫度）和+65℃（高溫）。從圖中可以看出，溫度變化對濾波器的抑制具有一定影響。對于已知的衰減值（圖2的例子約在-30dB），可以看出從低溫到環(huán)境溫度的漂移約為2.9MHz，從環(huán)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，對于已知材料和濾波器的中心頻率，可用公式1來(lái)預測頻率漂移：

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

其中，δ為10-6/℃下的熱膨脹系數，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(fā)現測量結果與公式1計算結果一致。一些誤差可歸因于諧振器的形狀和內插近似值（InterpolaTIon ApproximaTIon）。因此，公式1可用于預測溫度漂移情況下的頻率變化。CTE δ的值不需要過(guò)高，從而避免在衰減性能上出現重大變化，對于較廣的溫度范圍尤其是如此。

重要的是，在選擇諧振器材料時(shí)需要考慮一些重要因素，主要包括成本、重量、制造方法（沖壓、壓鑄等等），并且要鍍銀以防止發(fā)生PIM。圖3說(shuō)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，然而熱膨脹系數（CTE）相對較高，因此在規范要求嚴格的情況下可能并不適合。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(huì )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(chǎn)品的良好性能與可承受成本之間找到最佳平衡點(diǎn)。

PIM測試設置和考慮事項

這里將介紹一般性的PIM測試設置，并概述可對PIM產(chǎn)生影響的各種因素。圖4所提出的方塊圖是一般的PIM設置，可應用于本文的待測裝置（DUT）。左上方有兩臺訊號產(chǎn)生器，其后是兩臺相同的功率放大器，可提供極高增益（通常為50dB），在功率放大器之后的是兩臺隔離器，它們基本上是用來(lái)保護功率放大器，以避免受到可能產(chǎn)生的高功率反射所影響。然后，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

這里采用低PIM的50歐姆（Ω）端接來(lái)終止一個(gè)輸出，并在第二個(gè)輸出處混合訊號產(chǎn)生器所發(fā)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(lái)測量待測裝置輸入中的功率，并且據此校準功率計來(lái)讀取正確的值。

一般比較偏愛(ài)以這種設置來(lái)精確地修正正確的輸入功率，其誤差僅等于耦合器的插入損耗（約為0.2dB）。因此，將兩臺低PIM雙工器和待測裝置串聯(lián)起來(lái)。雙工器在發(fā)射（Tx）和接收（Rx）埠之間也有著(zhù)高度的隔離性。所產(chǎn)生的任何第三個(gè)IMD訊號將轉至Rx埠，并以頻譜分析儀進(jìn)行測量。

PIM測試可以進(jìn)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。另一方面，如圖4所示，前向PIM（Forward PIM）采用第二臺雙工器，其Tx通道端接到高功率、低PIM的50歐姆負載。第三個(gè)IMD訊號將直接轉至Rx通道，再以頻譜分析儀進(jìn)行測量。

根據所處理的階段，在操作低PIM濾波器時(shí)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；金屬之間的接觸要盡可能地做到平滑，以避免電弧放電。為了確?？蓪?shí)現后一種特性，需要良好的鍍銀技術(shù)來(lái)降低表面電阻。此外，建議在訊號路徑上采用尖銳的邊緣和避免尖刺，如去角技術(shù)（Chamfering）將有助于實(shí)現此一目的。間隙不應太小，否則會(huì )產(chǎn)生電?。ㄒ话悴恍∮?毫米）。當然，由于鐵磁材料是一種PIM的重要來(lái)源，因此嚴格要求進(jìn)行鍍銀。

第二，在裝配階段，元件在機械加工完成后要清理掉任何毛刺以避免劃傷（即使部分劃傷）元件的表面。焊接操作應盡可能地平順、均勻（例如以均質(zhì)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。
最后，對于測試過(guò)程，首先應確保設置本身不會(huì )產(chǎn)生PIM，且輸入功率值應該是正確的。連接器應該要清理干凈，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(jīng)過(guò)鍍銀處理，并用防松螺帽（Lock Nut）上緊。

插入損耗/抑制之間的權衡

對于高功率濾波器模組和無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)解決方案來(lái)說(shuō)，空腔濾波器（Cavity Filter）是業(yè)界普遍接受的方式。對只有有限空間可以設計濾波器的空腔諧振器而言，其品質(zhì)因數也有限，因此要滿(mǎn)足所需的插入損耗，也是一種挑戰。與接收器通道濾波器相比，插入損耗的要求對于發(fā)射器通道濾波器來(lái)說(shuō)更加重要，這是因為插入損耗越高，越需要更大的功率放大器、更大的直流電源，還要使用無(wú)線(xiàn)電的散熱器。

抑制要求較高的情況也非常普遍。為了抑制住功率放大器處的多余帶外功率，此一要求就顯得很重要，否則將提高接收器通道的雜訊位準。利用交叉耦合，以及提高濾波器的階數和諧振器的數量，就可以滿(mǎn)足更高的抑制要求。

解決這問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，然而濾波器的設計人員必須在滿(mǎn)足各種不同要求之間做出取舍。降低制造成本的要求也會(huì )帶來(lái)約束，例如各種不同的機械限制、尺寸，以及制造上的偏好。這會(huì )在設計過(guò)程中產(chǎn)生許多折衷妥協(xié)，要根據客戶(hù)的優(yōu)先順序來(lái)做出選擇。

圖5和圖6中的例子是用來(lái)說(shuō)明為T(mén)X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的抑制，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制，例如外部尺寸和連接器的位置等。

圖6、以五極和-75dB抑制、1.5dB插入損耗所進(jìn)行的濾波器設計

為了改善插入損耗，使用品質(zhì)因數高于2，000的諧振器設計并不可行，這是因為存在著(zhù)機械尺寸上的限制，例如整體結構的高度，以及制造上的考慮和公差等。

由于機械上的限制及埠的位置已經(jīng)預先確定，所以難以利用更多交叉耦合來(lái)達成更多的抑制實(shí)施拓撲結構。因此，可使用更多的諧振器來(lái)滿(mǎn)足對抑制的要求，并有較高的插入損耗，或者可以在RX頻帶下滿(mǎn)足插入損耗的要求，同時(shí)減輕抑制。

在這些范例中，對于濾波器的設計，應在兩種選項之間做出選擇，那就是有較佳的插入損耗及較少的抑制，還是較佳的抑制與較差的插入損耗。這種選擇只能根據客戶(hù)的優(yōu)先順序來(lái)進(jìn)行。關(guān)于這一點(diǎn)，可以同時(shí)向客戶(hù)提供兩種設計，并說(shuō)明其中的優(yōu)缺點(diǎn)，讓他們做出選擇，這樣便可以在出現一定沖突的情況下滿(mǎn)足其中更重要的要求。