Частотный фильтр – линейная электрическая цепь с сосредоточенными или распределенными реактивными параметрами. Характеризуется он комплексным коэффициентом передачи ·W(f), который описывается амплитудно-частотной | ·W(f)| и фазочастотной j(f)=arg[ ·W(f)] характеристиками (АЧХ и ФЧХ, соответственно). Функция ·W(f) описывает импульсную реакцию h(t), возникающую на выходе такого фильтра при поступлении на его вход короткого импульса. Крутизна ФЧХ фильтра определяет зависящее от частоты групповое время запаздывания (ГВЗ – group delay) отклика tгр(f)=–(1/2p)dj(f)/df.
Для обработки сигналов чаще всего используются:
· фильтры нижних частот, ФНЧ (Low-Pass Filter – LPF);
· фильтры верхних частот, ФВЧ (High-Pass Filter – HPF);
· полосно-пропускающие фильтры, ППФ (Band-Pass Filter – BPF);
· полосно-заграждающие фильтры, ПЗФ (Band-Reject Filter – BRF-notch).
Физически реализуемые фильтры имеют АЧХ с конечной крутизной изменения коэффициента передачи на границах полосы пропускания и заграждения и, соответственно, конечное ГВЗ (табл.1). Если полоса пропускания ППФ или полоса заграждения ПЗФ мала по сравнению с его средней частотой, их АЧХ симметричны, а формы изменения относительно средней частоты подобны характеристикам принимаемых в качестве прототипа ФНЧ или ФВЧ, соответственно.
Вид АЧХ и ФЧХ фильтра зависит от числа последовательно включенных частотно-зависимых звеньев n (порядок фильтра) и от расположения нулей и полюсов коэффициента передачи. Путем подбора расположения нулей и полюсов коэффициента передачи (выбора связи между реактивными элементами частотно-зависимого звена) можно задать особые свойства фильтра высокого порядка (n і 2).
Существует множество вариантов настройки фильтра на заданную избирательность, на наибольшую линейность ФЧХ, на наименьшую неравномерность ГВЗ или на определенный компромисс свойств. В качестве типовых настроек применяют АЧХ вида Чебышева-1 или SELF (Symetrical Equiripple Lumped Filter). Фильтры, представленные в табл.1, не единственно возможные. Например, можно выполнить настройку на характеристику типа Чебышева-2 (инверсный фильтр Чебышева) с гладкой АЧХ в полосе пропускания и заданным уровнем пульсаций в полосе заграждения или на характеристику с максимальной линейностью ФЧХ. При правильной настройке ППФ с числом звеньев n = 8 при средней частоте 100 МГц и относительной ширине полосы ±5% (рис.1) в полосе частот 75–125 МГц можно получить изменение фазового набега в пределах 540° с отклонением от линейности не более 3°.
Увеличение числа звеньев (порядка) фильтра позволяет улучшить прямоугольность АЧХ и увеличить соотношение между затуханием в полосах пропускания и заграждения (рис.2). Но возможность такого увеличения не безгранична. Повышение качества фильтрации с увеличением порядка сопровождается ростом потерь в полосе прозрачности, которые пропорциональны числу звеньев. Их допустимое число существенно ограничено такими факторами, как повышенные требования к точности настройки фильтра и стоимости его изготовления, ухудшение надежности настройки в диапазоне внешних воздействий при увеличении числа звеньев. Практически фильтры выпускаются с числом звеньев от 2 до 16.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ
Помимо выбранного типа АЧХ и числа звеньев n, технически корректны следующие характеристики фильтров:
· ширина полосы частот (Bandwidth) для заданного уровня потерь. Например, полоса пропускания для ППФ по умолчанию устанавливается на уровне -3 дБ (Passband – BW3dB), а полоса заграждения – по уровню -40 дБ (Stopband – BW40dB). Относительная ширина полосы (Percent Bandwidth) для ППФ и ПЗФ нормируется в процентах от значения центральной частоты, то есть от полусуммы значений граничных частот на уровне -3 дБ. Кроме граничной частоты на уровне -3 дБ указывают предельные значения минимальной и максимальной частот, для которых нормируется форма АЧХ;
· время установления отклика (Rise Time) – время, в течение которого после включения сигнала амплитуда отклика на выходе изменяется от 10 до 90% от максимальной амплитуды;
· уровень потерь (Insertion Loss – IL) в полосе прозрачности, пропорциональный Q-фактору (добротности) фильтра и обратно пропорциональный относительной полосе пропускания
...
Некоторые производители различают потери сквозного прохождения (Dissipation Loss) и потери на отражение (Reflection Loss);
· коэффициент прямоугольности Кп (Shape Factor). Нормируется по умолчанию как отношение полосы по уровню -30 дБ к полосе по уровню -3 дБ;
· потери в полосе заграждения (изоляция нежелательной полосы);
· уровень неравномерности (пульсации) коэффициента передачи либо в полосе прозрачности (Passband Ripple), либо в полосе заграждения (Stopband Ripple), либо в обоих полосах, измеряемый в децибелах;
· коэффициент стоячей волны (Voltage Standing Wave Ratio – VSWR) или коэффициент отражения в полосе пропускания;
· уровень входной мощности Рвх. Значение входной мощности ограничивается не только электрической прочностью фильтра. Из-за наличия в составе фильтра активных компонент указывают входную мощность, при которой потери возрастают на 1 дБ – P1дБ, а также входную мощность, при которой для двухчастотного входного сигнала уровень комбинационных компонент третьего порядка на выходе будет равен уровню основных компонент – РIP3 (Intercept Point 3 order). Причина появления интермодуляционных искажений в, казалось бы, линейном фильтре заключается в том, что в состав большинства фильтров входят индуктивные элементы, выполненные на базе ферритовых материалов, магнитная проницаемость и потери которых нелинейно зависят от амплитуды сигнала, а в состав электрически перестраиваемых фильтров – нелинейные емкости, варикапы (кроме того, некоторые фильтры интегрированы с транзисторными усилителями);
· диапазон перестройки (Tuning Range), скорость перестройки (Tuning Speed), вид и разрядность цифрового интерфейса, напряжения и токи питания и управления;
· устойчивость к внешним воздействиям: диапазон рабочих температур, допустимые значения ударопрочности и вибростойкости, стойкости к перепадам температуры, давления и влажности, к уровню проникающей радиации;
· массогабаритные и установочные показатели, входные и выходные импедансы, вид разъемов подключения по входу и выходу.
Для некоторых приложений надо учитывать зависимость фазового сдвига (Insertion Phase) от частоты гармонического сигнала в полосе пропускания фильтра (см. рис.1). Для ППФ и ПЗФ указывают нижнюю и верхнюю границы полосы прозрачности и полосы заграждения по заданным уровням; центральную частоту и относительную ширину полосы прозрачности или заграждения.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ
Сегодня существуют самые разнообразные технологии формирования электрических цепей с малыми потерями, проявляющих частотно-зависимые свойства (фильтров). Можно отметить следующие конструктивные варианты:
· на сосредоточенных LC-элементах: недорогие, из-за погрешностей выполнения число звеньев ограничено, используются на частотах менее 100 МГц;
· на микроминиатюрных структурах: имеют малые габариты и массу, допускают поверхностный монтаж;
· на цепочках металлических резонаторов: обладают высокой селективностью, обеспечиваемой посеребрёнными металлическими резонаторами и калиброванной связью;
· на керамических резонаторах: благодаря высокой диэлектрической проницаемости имеют малые габариты, ограничены частотами до 2–3 ГГц;
· коаксиальные (трубчатые): выпускаются складные варианты уменьшенных габаритов;
· на микрополосковых связанных линиях (Suspended Substrate Stripline – SSS): применяются на частотах от 100 МГц до 40 ГГц, удобны для поверхностного монтажа;
· на волноводах цилиндрической или прямоугольной формы: характеризуются высокими значениями добротности, до Q = 25000;
· на поверхностных акустических волнах (ПАВ): выполняются на кристалле пьезокварца путем формирования топологии преобразователей; технология ПАВ обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик фильтров с числом звеньев до 16. Для фильтров этого типа характерны дополнительные потери на прямое и обратное электроакустическое преобразование, поэтому они часто изготавливаются совместно с интегральными широкополосными усилителями;
· кварцевые (Monolithic Crystal Filters – MCF): отличаются высокой воспроизводимостью, число звеньев – 10–12, устойчивы к механическим воздействиям, пригодны для поверхностного монтажа;
· перестраиваемые: предусматривают механическую сопряженную перестройку двух-трех резонаторов; для электронной перестройки граничных частот включаются варикапы или ферритовые резонаторы на железо-иттриевом гранате (ЖИГ-перестройка), число звеньев и диапазон управления ограничены возможностями сохранения формы АЧХ в диапазоне перестройки;
· цифровые: входной и выходной сигналы представляют собой потоки цифровых данных с частотой дискретизации по времени fд и заданной разрядностью по ординатам. Нужные частотные свойства фильтра формируются блоками цифровой обработки интегральной микросхемы. Возможна реализация цифровых фильтров очень высокого порядка (до n = 150) при соответствующем качестве фильтрации, а также получение характеристик, недостижимых в аналоговых фильтрах (например, ограниченной по времени реакции на скачок входного сигнала). Однако на частотах, превышающих половину частоты дискретизации fд/2, они имеют паразитные полосы пропускания и требуют включения на входе АЦП аналогового ФНЧ с BW3dB < fд/2 и ЦАП на выходе. Рабочая частота ограничена быстродействием цифровой части. Для выравнивания коэффициента передачи ЦАП в широком диапазоне изменения тактовой частоты (например, в синтезаторах частот) используются дополнительные аналоговые корректирующие фильтры с АЧХ вида x/(sin x);
· фильтры волоконно-оптических линий связи (ВОЛС): позволяют улучшить отношение сигнал/шум и увеличить протяженность до регенерации ВОЛС, по которой информация передается на фиксированных несущих частотах ИК- и видимого диапазонов, определяемых типом используемого лазера.
Выбор варианта фильтра определяется диапазоном частот, массогабаритными показателями, устойчивостью к внешним воздействиям (табл.2).
На основе частотных фильтров с фиксированными или управляемыми параметрами выпускаются более сложные устройства. Отметим следующие.
Частотный мультиплексор – частотно-разделительное устройство с N выходами, различающимися расположением частотных полос пропускания и заграждения. В зависимости от числа выходных каналов возможны диплексеры (N = 2), триплексеры (N = 3), квадриплексеры (N = 4) и т.д. В большинстве случаев частотные мультиплексоры обладают свойством взаимности, то есть могут использоваться для объединения двух или нескольких сигналов в общую полосу частот. Типичная структура диплексера (Diplexer) приведена на рис.3. Для улучшения развязки портов входа и выхода, а также выравнивания коэффициентов отражения в широком частотном диапазоне входных сигналов в состав диплексера входят ФНЧ и ФВЧ с соответствующей настройкой. Отдельные фирмы для улучшения взаимной изоляции применяют в диплексерах мостовые балансные схемы и поляризационные решения. Для таких устройств, кроме перечисленных выше параметров, необходимо указывать характеристики взаимных связей (изоляция каналов) и частотные зависимости основных параметров.
Подстраиваемый частотный фильтр (Tunable Filter) – выпускаетcя на основе ППФ с управляемым положением полосы пропускания (рис.4). Пример такого фильтра – модель Trak-Pole фирмы Pole Zero. Фильтры этого вида автоматически настраиваются на наибольший коэффициент передачи в полосе перестройки.
Дуплексер (Duplexer) – используется при работе с общей широкополосной антенной для смещенных по частоте полос одновременной передачи и приема (дуплексная связь). При такой передаче необходимо обеспечить частотное разделение канала, по которому сигнал от передатчика поступает к антенне, от канала передачи сигнала, приходящего от антенны к приемнику, при высокой межканальной изоляции (рис.5). Для обеспечения малых потерь в полосе прозрачности и допустимого уровня интермодуляционных искажений комбинация ППФ и ПЗФ в канале передатчика должна выполняться с учетом повышенной проходящей мощности. Наряду с невзаимными направляющими устройствами (направленными ответвителями, ферритовыми вентилями и циркуляторами) дуплексеры предотвращают попадание мощного сигнала собственного передатчика на вход малошумящего усилителя приемника.
Коммутатор частотных каналов – частотно-разделительное устройство с одним входом и несколькими выходами (от 6 до 64). По командам управления коммутатор частотных каналов подключат на выход один, несколько или ни одного частотного канала.
Коммутируемый банк фильтров – имеет один вход и один выход, между которыми с помощью коммутирующих диодов включается тот или иной фильтр.
Гармониковый фильтр для частот до 40 ГГц – это комбинации ФНЧ + ФВЧ и резонансных поглощающих цепей на заданную гармонику. Характеризуется малыми потерями на заданной частоте и полосно-заграждающими свойствами на второй, третьей и четвертой гармониках. При фиксированной несущей частоте такой фильтр более эффективен, чем радиочастотный ФНЧ с частотой среза, превышающей несущую частоту, который пропускает высокую мощность и используется для снижения внеполосных излучений передатчиков на гармониках несущей.
Дисперсионный фильтр – выполняется по технологии ПАВ и имеет в определенной полосе частот заданную, например квадратичную, зависимость фазового сдвига от текущей частоты при плоской АЧХ. Применяется в качестве узла расширения полосы частот, занимаемой импульсным сигналом, или в качестве согласованного фильтра сжатия сложного сигнала по длительности.
НОМЕНКЛАТУРА ЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ НА РЫНКЕ
Сегодня на рынке представлены тысячи моделей частотных фильтров и устройств на их основе, выпускаемых несколькими сотнями мировых производителей. Наиболее популярны изделия фирм Advanced Microtek, Celltronik, Coilcraft, ColemanMW, Delta Microwave, Electromagnetic Technologies, ES Microwave, Filtronetics, FSY, Flann Microwave, K&L, Lorch, Mini-Circuits, Microwave Filter Company, Millitech, Omniyig, Pole Zero, Reactel, Reeves Hoffman, Taiyo Ynden, Tekelec Temex, Trilithic, QuartzCom, Salisbury, SunWave, SuperConductor, Spectrum Control [2].
Большинство фирм производят заказные фильтры с заданной совокупностью электрических и механических параметров. Выпускаются и изделия широкого применения, предназначенные для массового потребления применительно к стандарту системы (например, для аппаратуры радиосвязи и радионавигации). В табл.3 представлены параметры типичных фильтров классов ФНЧ и ФВЧ. Можно особо выделить миниатюрные недорогие керамические СВЧ-фильтры для поверхностного монтажа фирмы Mini-Circuits, изготовленные по многослойной технологии Blue Cell. Полоса пропускания ФНЧ серии LFCN – 500 МГц–5,4 ГГц, полоса заграждения с ослаблением -25…-45 дБ – до 9 ГГц. Полоса заграждения ФВЧ серии HFTC 0,7–3 ГГц при ослаблении от -100 до -40 дБ, полоса пропускания – 1,3–7 ГГц.
Фильтры электромагнитных помех (EMI Filter), предназначенные для линий электропитания или шин цифровых передач, относятся к классу ФНЧ. Такие фильтры выпускаются, в частности, фирмами Coilcraft (модель ССDLF 10000 для 10-разрядной шины с током до 500 мА), Spectrum Control, Taiyo Ynden и др. Номенклатура фильтров типа EMI охватывает изделия с полосой прозрачности от 2 до 100 МГц и ослаблением помех в полосе частот до 10 ГГц.
Гармониковые фильтры серии 4PL4 фирмы Reactel отличаются высокой допустимой проходящей мощностью (до 15 кВт), большим числом звеньев (до 8) при малых потерях, ударопрочностью до 30 g и влагостойкостью до 98%.
Среди ППФ и ПЗФ наиболее многочисленна группа фильтров c фиксированной настройкой (табл.4) . Здесь можно отметить ПЗФ серии N55 фирмы K&L, отличающиеся низкими потерями в полосе прозрачности, большим числом звеньев (до 12) и значительной допустимой мощностью (до 10 Вт). Большую серию ППФ на основе ПАВ-технологии (семейство TFR и TFS) предлагает фирма Vectron International Technology Express, а варианты кварцевых ППФ и ПЗФ на частоты от 10 кГц до 200 МГц (серия FN) – фирма Filtronetics. Высоким качеством отличаются кварцевые фильтры (MCF-технология), выпускаемые фирмами SGC Techno, Sawtek, QuartzCom и др. Их рабочие частоты лежат в диапазоне 9–200 МГц, ширина полосы на уровне 3 дБ (BW3dB) не превышает 0,1%. Фильтры этого типа пригодны для поверхностного монтажа. Они устойчиво работают в диапазоне температур, задаваемом военными стандартами.
Частотные мультиплексоры (табл.5) выпускаются на число каналов от 2 до 6. Развитие этих изделий – коммутируемые мультиплексоры, в которых выходные каналы могут отключаться с помощью коммутирующих СВЧ-диодов.
Дуплексеры различных частотных диапазонов многие фирмы предлагают в качестве узлов сопряжения приемопередающей антенны с приемником и передатчиком (табл.6). Для улучшения развязки между входным сигналом приемника и мощным сигналом собственного передатчика в близко расположенной частотной полосе дуплексеры имеют повышенное число секций (до 8). Например, модель 8-CCB-F1/F2-B фирмы K&L с восемью секциями пропускает от передатчика к антенне сигнал мощностью 50 Вт с развязкой -60 дБ в полосе приема, отстоящей на 20 МГц от границы полосы передачи. Для систем сотовой связи на 900/1800 МГц предлагаются двухполосные дуплексеры. Здесь интерес представляет двухполосный дуплексер L5964-A фирмы Delta Microwave, совмещенный с усилителем, коэффициент передачи которого составляет +45 дБ, а коэффициент шума – 1 дБ при межканальной изоляции на -100 дБ.
Коммутаторы частотных каналов (табл.7) содержат от 3 до 64 ППФ с временем переключения 30–60 нс. Большинство эти изделий переключают центральную частоту ППФ. Вместе с тем, например, в модели коммутатора 4SFBX фирмы ES Microwave LLC шестисекционные со значениями ширины полосы от 5 МГц до 32 МГц фильтры, настроенные на линейную ФЧХ с значениями ширины полосы 5–32 МГц, переключаются на фиксированной средней частоте. В модели FB-120 фирмы Electromagnetic Technology любой из девяти ППФ с полосой до 38% от его средней частоты менее чем за 500 нс подключается между одним из двух входов (один на полосу 0,01–1 ГГц, второй – на полосу 1–20 ГГц) и выходом (с полосой 0,01–20 МГц).
Перестраиваемые частотные фильтры представлены в табл.8. Фильтры с механической сопряженной перестройкой и тремя-пятью секциями серии BT фирмы K&L Microwave допускают изменение центральной частоты на октаву при сохранении относительной ширины полосы. Их проходящая мощность достигает 50 Вт. Модель DTFN-500/2000/N/GSV фирмы K&L Microwave позволяет за 12 с перестроить кодом по шине GPIB среднюю частоту двух ППФ в пределах 500 МГц–2 ГГц с шагом 1 МГц при сохранении относительной полосы ±2,5%. Модели серии 1022 фирмы Omniyig перестраивают чрезвычайно узкую полосу (0,1%) в пределах нескольких октав, что необходимо в широкополосных анализаторах спектра.
Типовые значения устойчивости частотных фильтров к внешним дестабилизирующим факторам определяются действующими стандартами. Как правило, они должны выдерживать воздействие входной мощности не менее 1 Вт, удары до 30 g, вибрацию – 10 g на частотах от 5 Гц до 1 кГц, относительной влажности – не менее 95% в интервале температур от-40 до 85°С.
Литература
1. Белов Л. Компоненты генераторов стабильной частоты. Генераторы, управляемые напряжением.– ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №1, с.42; Преобразователи частоты. Современные ВЧ-компонентыю– №2, с.44; Синтезаторы стабильных частот.– №3, с. 38.
2. РАДИОКОМП – радиокомпоненты мировых производителей. http://www.radiocomp.ru