eng
Выпуск #1/2005
К.Джуринский.
Отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры для микроэлектроники СВЧ. Какие лучше?
Отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры для микроэлектроники СВЧ. Какие лучше?
Просмотры: 4073
В журнале "ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ", 2001, №3 была опубликована обзорная статья К.Джуринского, посвященная зарубежным и отечественным фильтрам, предназначенным для подавления электромагнитных помех в РЭА СВЧ. Последовала ответная реакция: письмо в редакцию "ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ", 2002, №3. Его автор – М.Ю.Воловик, внесший значительный вклад в создание отечественной базы керамических конденсаторов и фильтров, – посчитал, что в обзорной статье слишком большое внимание уделено зарубежным разработкам, тогда как отечественные освещены не достаточно всесторонне. Чтобы восполнить пробел, М.Ю.Воловик опубликовал две статьи, посвященные современному состоянию и ближайшим перспективам развития керамических конденсаторов и фильтров, серийно выпускаемых ОАО НИИ "Гириконд" [1,2]. Лейтмотив этих публикаций – утверждение, что "отечественные проходные конденсаторы и фильтры по своим характеристикам практически не уступают зарубежным аналогам, но значительно дешевле их" ([2], с.36). Из этого следует, что разработчикам изделий микроэлектроники СВЧ не нужны дорогостоящие зарубежные фильтры, так как предприятия "Гириконд" и "Кулон" (Санкт-Петербург) выпускают более дешевые компоненты, не уступающие по своим параметрам зарубежным. Так ли это? Насколько полно удовлетворяют требованиям современной микроэлектроники СВЧ серийно выпускаемые отечественные помехоподавляющие фильтры? И какие фильтры окажутся в распоряжении разработчиков через несколько лет? Попробуем ответить на эти вопросы.
ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Борьба с электромагнитными помехами – важнейшая задача при создании РЭА СВЧ и, прежде всего, изделий микроэлектроники СВЧ. Подход к ее решению все более усложняют следующие факторы:
· возрастание функциональных возможностей и сложности изделий;
· миниатюризация;
· увеличение плотности компоновки и усиление взаимного влияния компонентов;
· повышение рабочих частот;
· рост требований к надежности и долговечности и вследствие этого – необходимость герметизации изделий.
Основное средство подавления меж- и внутрисистемных помех, а также развязки по СВЧ в цепях питания, управления и коммутации постоянного и переменного токов – помехоподавляющие фильтры нижних частот, защищающие аппаратуру от внешних и внутренних помех, распространяющихся от источника питания, а сеть питания – от помех, создаваемых изделием. Фильтры устанавливают в каждый незаземленный провод в цепи питания между источником и нагрузкой, по возможности как можно ближе к источнику помех.
Таким образом, из этого следует, что к фильтрам, применяемым в современных изделиях микроэлектроники СВЧ, предъявляются следующие основные требования [3]:
· миниатюрность;
· герметичность на уровне 10-9 – 10-11 м3·Па/с, определяемая скоростью натекания через фильтр;
· высокий уровень вносимого затухания в диапазоне частот от нескольких мегагерц до 18 ГГц;
· предотвращение повреждения фильтров при монтаже в изделие;
· возможность пайки фильтра в корпус изделия (без нарушения конструкции и ухудшения его параметров) при температуре кратковременного нагрева не ниже 230°C;
· низкая стоимость.
Именно по этим параметрам следует сравнивать отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры, применяемые в микроэлектронике СВЧ. Еще раз подчеркнем: только фильтры для СВЧ-электроники. Другие области применения (силовая, автомобильная электроника, электротехнические изделия и др.) не являются объектом рассмотрения. Не рассматриваются и отечественные керамические трубчатые конденсаторы типов КТП, многослойные конденсаторы К10-54, LC- фильтры К10-78, а также соответствующие им зарубежные аналоги, поскольку их применение в микроэлектронике СВЧ ограничено.
Миниатюрность. Габаритные и присоединительные размеры фильтра, как и его массу, выбирают с учетом размеров и толщины стенки корпуса изделия, а также общего числа устанавливаемых фильтров. Для СВЧ-модулей разных типов требуется от нескольких до десяти и даже более фильтров. Толщина стенки корпусов модулей лежит в пределах 2–6 мм. Следовательно, диаметр корпуса фильтров для изделий микроэлектроники СВЧ должен быть не более 4 мм, длина – не более 10 мм, а масса – 1–2 г. Крупные фирмы США, Европы и Азии выпускают в совокупности 8000 типов фильтров [2]. Но из-за требования миниатюрности большинство из этих фильтров приходится исключить из рассмотрения. К миниатюрным нельзя отнести и отечественные фильтры типов Б7-2, Б14, Б23А и Б23Б.
Герметичность. Существуют два способа герметизации фильтров. Первый – заливка обоих торцов его корпуса термостойким эпоксидным компаундом, иногда с последующим нанесением изоляционного лака. Этот способ использован во всех серийно выпускаемых отечественных фильтрах: Б7-2, Б14, Б23А, Б23 и Б24. Герметичность таких фильтров не регламентируется. Не имея отечественных миниатюрных герметичных фильтров, разработчики изделий микроэлектроники СВЧ вынуждены устанавливать негерметичный фильтр в шлюзовой отсек корпуса изделия, а герметичность обеспечивать применением металлостеклянного ввода, впаиваемого в его корпус. Выводы фильтра и ввода соединяют перемычкой. Этот прием вряд ли можно признать эффективным, если учесть еще, что в изделии используются несколько фильтров.
Второй способ – применение металлостеклянного спая. В этом случае обеспечивается вакуумная плотность фильтра – скорость натекания не превышает 10-11 м3·Па/с. Именно такие фильтры желательно применять в современной герметизированной РЭА СВЧ повышенной надежности и долговечности. Многие фильтры зарубежных фирм, герметизированные металлостеклянным спаем, имеют большую электрическую емкость (от десятых долей до нескольких микрофарад) и вследствие этого эффективно подавляют электромагнитные помехи с частотами более 10 кГц. Однако их габариты и масса велики и поэтому в микроэлектронике СВЧ такие фильтры не применяются. Миниатюрные C- и L-C-фильтры выпускают фирмы: Maxwell, Spectrum Control (США), Tusonix (Франция, США), Eurofarad (Франция) (табл.1).
ВНОСИМОЕ ЗАТУХАНИЕ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
Предварительные замечания. При изучении работ, посвященных отечественным фильтрам [1,2,4], возникает ряд вопросов. Во-первых, вносимое затухание (основной параметр фильтров) определяется в измерительной схеме с волновым сопротивлением 75 Ом. Однако в технике СВЧ общепринято значение волнового сопротивления 50 Ом, и зарубежные производители фильтров определяют вносимое затухание только в 50-Ом измерительной схеме. По-видимому, имеются и другие различия в методиках измерения. Известно, например, что зарубежные измерители КСВ и ослабления позволяют измерять вносимое затухание 60 дБ и более, а существующие отечественные – менее 40 дБ. Не этим ли объясняется низкое, по сравнению с зарубежными данными, значение вносимого затухания (35–45 дБ) фильтров Б7-2, Б14, Б23А? И чем подтверждается достоверность приводимого для фильтров Б24 и Б23Б вносимого затухания в 65–70 дБ? К сожалению, эти вопросы авторы работ [1,2] не рассматривают.
Во-вторых, приведенные в работах [1,2,4] значения вносимого затухания в некотором диапазоне частот для отечественных фильтров (исключая фильтры Б23Б и Б24) не являются информативным показателем. Как понимать, например, что у фильтра Б7-2 вносимое затухание в диапазоне частот 100–200 МГц равно 35 дБ, если на частоте 100 МГц (а это частота среза) оно равно 3 дБ? Для установления истинных параметров помехоподавления приходится обращаться к техническим условиям. Только в них, как и во всех зарубежных источниках, приведены значения вносимого затухания на фиксированных частотах рабочего диапазона, по которым можно просмотреть частотную зависимость вносимого затухания.
И наконец, при анализе данных работ [1,2] непонятно, почему для фильтров с одинаковой индуктивностью 0,05 мкГн типов Б7-2 (номинальная емкость 4700пФ) и Б14 (3300 и 4700 пФ) верхняя частота помехоподавления ограничена величиной 1,5 ГГц, а для фильтра Б23А (емкость 1000 и 1500 пФ) – 10 ГГц?
Несмотря на эти замечания, сравним вносимое затухание аналогичных отечественных и зарубежных фильтров. Габариты и масса фильтров Б7-2, Б14 и Б23А велики, уровень вносимого затухания мал (35–45 дБ), недостаточен и гарантированный частотный диапазон помехоподавления (исключая Б23А). Поэтому из всех отечественных фильтров имеет смысл отсановиться только на наиболее преспективных Рi-фильтрах Б24. Это серия фильтров с номинальной емкостью от 43 до 10000 пФ и индуктивностью от 0,03 до 1,8 мкГн. Значение вносимого затухания на высоких частотах достигает 65–70 дБ. Частота среза для фильтров с емкостью 10000 пФ равна 0,7 МГц.
Проведенный нами статистический анализ параметров большого числа зарубежных фильтров показал, что при емкости 100 пФ частота среза равна 100 МГц, при 1500 пФ – 10 МГц, а при 10000 пФ – менее 1 МГц. Уровень вносимого затухания фильтров зарубежных производителей на частотах более 1 ГГц составляет 60–70 дБ. Таким образом, по своим электрическим параметрам отечественные фильтры Б24 действительно не уступают зарубежным.
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ФИЛЬТРОВ В КОРПУСА ИЗДЕЛИЙ
Допустимая температура нагрева. Конструкция всех отечественных фильтров, основы которой были разработаны еще в 60-е годы прошлого века, имеет две отличительные черты:
· использование керамического трубчатого конденсатора в качестве элемента корпуса фильтров Б7-2, Б23А, Б24 (варианты а и б). В фильтрах Б14 и Б24 (вариант в) на конденсатор припаивается резьбовая втулка, являющаяся элементом крепления и служащая для отвода помех "на землю" [2], но это принципиально не меняет сути конструкции;
· применение эпоксидного компаунда для герметизации фильтров.
В связи с этим монтаж фильтров в корпуса изделий возможен только путем вклеивания или низкотемпературной пайки в течение менее 4 с припоями типа ПОСК50-18 (температура плавления 145°C) паяльником с температурой жала 200±10°C. Перегрев более чем на 10°C недопустим. Соединение выводов фильтров с электрической схемой необходимо выполнять пайкой припоями ПОСК50-18 или ПСрОС-58. При этом рекомендуется применять теплоотвод от контактного узла фильтра, поскольку перегрев приводит к размягчению компаунда и смещению вывода, а также к возникновению трещин в керамическом корпусе, что хорошо известно тем, кто имел дело с отечественными фильтрами.
При монтаже фильтров необходимо соблюдать осторожность, так как изгибающие нагрузки, крутящие моменты более 0,025 кгс·м и удары приводят к образованию трещин и сколов керамики и могут вывести фильтры из строя [1,2]. Между тем многих этих недостатков можно было бы избежать, если, подобно зарубежным фирмам, изготавливать фильтры в металлических корпусах и герметизировать их металлостеклянным спаем.
Фильтры, выпускаемые различными зарубежными фирмами, близки по своим конструктивным и электрическим параметрам. Поэтому ограничимся кратким анализом фильтров фирмы Eurofarad (см. рисунок), недавно появившихся на отечественном рынке. Эти фильтры герметизированы с одного торца металлостеклянным спаем, а с другого – термостойким компаундом. Допустимая предельная температура кратковременного (не более 6 с) нагрева фильтров при пайке в корпуса изделий составляет 275±5°C. Металлические корпус и выводы фильтра покрыты серебром или золотом. Диапазон рабочих температур фильтров серии FC030 составляет -55–175°C, остальных серий – от -55 до 125°C.
В отечественных и зарубежных фильтрах применяются миниатюрные керамические трубчатые и многослойные дисковые конденсаторы. Они в значительной степени определяют основные параметры фильтров, поэтому фирмы-изготовители фильтров обычно имеют собственное керамическое производство. Уровень технологии изготовления конденсаторов в нашей стране и за рубежом можно сравнить хотя бы по точности их размеров (табл.2). Результаты сравнения в комментариях не нуждаются. Ясно только, что конденсаторы ОАО "Кулон" с недопустимо большим разбросом размеров по наружному и внутреннему диаметрам непригодны для установки (впаивания) в герметичные металлостеклянные корпуса фильтров.
Стоимость фильтров. Фильтр Б24 стоит менее 2 долл. Цена фильтров зарубежных фирм в зависимости от их назначения, сложности конструкции и объема поставляемой партии, по имеющимся у автора данным, составляет 2–10 долл. Для изделий микроэлектроники СВЧ желательно применять фильтры, соответствующие военным стандартам, а такие фильтры, естественно, стоят дороже.
ЕСТЬ ЛИ АЛЬТЕРНАТИВА МИНИАТЮРНЫМ ГЕРМЕТИЧНЫМ ЗАРУБЕЖНЫМ ФИЛЬТРАМ?
Вследствие отсутствия отечественных серийно выпускаемых фильтров, удовлетворяющих требованиям современной микроэлектроники СВЧ, предприятие ФГУП "НПП "Исток" было вынуждено разработать и освоить выпуск миниатюрных герметичных L-C-фильтров в металлических корпусах (см. табл.1) [3,9,10]. В конденсаторах для разработанных фильтров применены трубки с высокоточными размерами из керамики Т10000 (группа Н90) и Т-150 производства РУНПП "Монолит" (см. табл.2). В конструкции фильтров не используются органические материалы. Металлические поверхности корпуса и выводы фильтра покрыты сплавом палладий-никель. Благодаря этому допустимая температура кратковременного нагрева фильтров при пайке составляет 320°C, что при сборке изделий позволяет проводить ступенчатую пайку.
Созданные фильтры предназначены для обеспечения разработок и собственного производства предприятия. Но кроме этого они поставляются ещё более чем 25 предприятиям электронной техники. Годовой объём выпуска фильтров сравнительно невелик (20–25 тыс. шт.), поэтому их стоимость достаточно высока и сравнима с ценой зарубежных аналогов. Однако высокая стоимость оправдана высоким качеством фильтров. К сожалению, перспектива промышленного выпуска разработанных фильтров пока не просматривается.
ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗРАБОТОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ
Эти направления сформулированы в работе [2]. Во-первых, – применение новых термостабильных керамических материалов при изготовлении конденсаторов фильтров. Во-вторых, – создание фильтров с номинальными напряжением до 1000 В и током до 200 А. В-третьих, – разработка C- и L-C-фильтров в металлических корпусах, подобных зарубежным Bolt-in-Filters. И наконец, – создание многозвенных фильтров, фильтров для "наплатного" монтажа и фильтров с варисторной защитой.
Из этих направлений для микроэлектроники СВЧ наибольший интерес представляют первое и третье. Актуальность создания и применения новых термостабильных материалов для конденсаторов несомненна. Вопрос лишь в том, будут ли выпускаться на основе таких материалов достаточно дешёвые миниатюрные трубчатые и многослойные дисковые конденсаторы с точными размерами. Важно также, что планируется разработка фильтров в металлических корпусах.
Но что понимается под зарубежным прототипом Bolt-in-Filters? Ведь обычно это резьбовые фильтры, герметизированные компаундом [4,9]. Их более точное название – Resin Style Bolt-in-Filters или Bolt Style Epoxy Seals. Хотелось бы, чтобы в качестве прототипа были выбраны Bolt Style Hermetic Filters [4,9] – резьбовые фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем. Если этого не сделать, то в ближайшие годы в нашей стране не появятся миниатюрные герметичные промышленные фильтры и останутся связанные с этим проблемы.
ПОДВОДЯ ИТОГИ
Из всех серийно выпускаемых отечественной промышленностью фильтров для микроэлектроники СВЧ только фильтр типа Б24 конкурентоспособен с зарубежными аналогами. Эти фильтры дешевле зарубежных и не уступают им по таким основным параметрам, как миниатюрность, номинальная электрическая емкость, вносимое затухание в широком диапазоне частот.
Вместе с тем, миниатюрные зарубежные фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем, превосходят фильтр типа Б24 по таким показателям, как герметичность, допустимая температура кратковременного нагрева, степень повреждаемости при установке и пайке в изделия.
ТАК КАКИЕ ЖЕ ФИЛЬТРЫ ЛУЧШЕ: ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ИЛИ ЗАРУБЕЖНЫЕ?
Автор стремился дать объективную оценку достоинств и недостатков отечественных помехоподавляющих фильтров. Выбор же отечественного или зарубежного фильтра остается за разработчиками конкретных изделий микроэлектроники СВЧ. Несомненно только, что отечественная микроэлектроника СВЧ должна базироваться на отечественных компонентах, в том числе и фильтрах, не уступающих по своим параметрам зарубежным аналогам.
Литература
1. Воловик М. Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры для подавления электромагнитных помех.– Компоненты и технология, 2002, №5, с. 8–11.
2. Воловик М., Смирнов В. Керамические проходные конденсаторы и фильтры нижних частот. Состояние и перспективы развития. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с. 36–40.
3. Джуринский К. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. – М.: Агентство "Издательский сервис", 2003 – 128 с.
4. ОАО "Кулон". Каталог, 2004.
5. "EMI RFI Filters. Product Catalog 029 фирмы Eurofarad". New Issue, 2003.
6. Каталог фирмы Maxwell Technologies Energy Produсt (Sierra- KD components), 2000.
7. EMI/RFI Filters. Каталог 4000R4 фирмы Tusonix Inc, 2003.
8. EMI Filtering Product Guide. Innovative. EMC Solution. Каталог фирмы Spectrum Control Inc. ISO 9001, 1997.
9. Джуринский К. Миниатюрные помехоподавляющие фильтры для РЭА СВЧ. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, №3, с.24–30.
10. Джуринский К. Зарубежные и отечественные миниатюрные фильтры нижних частот для подавления помех в РЭА СВЧ. Справочные материалы по электронной технике.– НПП "Исток", 1998, 42 с.
11. РУНПП " Монолит". Каталог, 2003.
Борьба с электромагнитными помехами – важнейшая задача при создании РЭА СВЧ и, прежде всего, изделий микроэлектроники СВЧ. Подход к ее решению все более усложняют следующие факторы:
· возрастание функциональных возможностей и сложности изделий;
· миниатюризация;
· увеличение плотности компоновки и усиление взаимного влияния компонентов;
· повышение рабочих частот;
· рост требований к надежности и долговечности и вследствие этого – необходимость герметизации изделий.
Основное средство подавления меж- и внутрисистемных помех, а также развязки по СВЧ в цепях питания, управления и коммутации постоянного и переменного токов – помехоподавляющие фильтры нижних частот, защищающие аппаратуру от внешних и внутренних помех, распространяющихся от источника питания, а сеть питания – от помех, создаваемых изделием. Фильтры устанавливают в каждый незаземленный провод в цепи питания между источником и нагрузкой, по возможности как можно ближе к источнику помех.
Таким образом, из этого следует, что к фильтрам, применяемым в современных изделиях микроэлектроники СВЧ, предъявляются следующие основные требования [3]:
· миниатюрность;
· герметичность на уровне 10-9 – 10-11 м3·Па/с, определяемая скоростью натекания через фильтр;
· высокий уровень вносимого затухания в диапазоне частот от нескольких мегагерц до 18 ГГц;
· предотвращение повреждения фильтров при монтаже в изделие;
· возможность пайки фильтра в корпус изделия (без нарушения конструкции и ухудшения его параметров) при температуре кратковременного нагрева не ниже 230°C;
· низкая стоимость.
Именно по этим параметрам следует сравнивать отечественные и зарубежные помехоподавляющие фильтры, применяемые в микроэлектронике СВЧ. Еще раз подчеркнем: только фильтры для СВЧ-электроники. Другие области применения (силовая, автомобильная электроника, электротехнические изделия и др.) не являются объектом рассмотрения. Не рассматриваются и отечественные керамические трубчатые конденсаторы типов КТП, многослойные конденсаторы К10-54, LC- фильтры К10-78, а также соответствующие им зарубежные аналоги, поскольку их применение в микроэлектронике СВЧ ограничено.
Миниатюрность. Габаритные и присоединительные размеры фильтра, как и его массу, выбирают с учетом размеров и толщины стенки корпуса изделия, а также общего числа устанавливаемых фильтров. Для СВЧ-модулей разных типов требуется от нескольких до десяти и даже более фильтров. Толщина стенки корпусов модулей лежит в пределах 2–6 мм. Следовательно, диаметр корпуса фильтров для изделий микроэлектроники СВЧ должен быть не более 4 мм, длина – не более 10 мм, а масса – 1–2 г. Крупные фирмы США, Европы и Азии выпускают в совокупности 8000 типов фильтров [2]. Но из-за требования миниатюрности большинство из этих фильтров приходится исключить из рассмотрения. К миниатюрным нельзя отнести и отечественные фильтры типов Б7-2, Б14, Б23А и Б23Б.
Герметичность. Существуют два способа герметизации фильтров. Первый – заливка обоих торцов его корпуса термостойким эпоксидным компаундом, иногда с последующим нанесением изоляционного лака. Этот способ использован во всех серийно выпускаемых отечественных фильтрах: Б7-2, Б14, Б23А, Б23 и Б24. Герметичность таких фильтров не регламентируется. Не имея отечественных миниатюрных герметичных фильтров, разработчики изделий микроэлектроники СВЧ вынуждены устанавливать негерметичный фильтр в шлюзовой отсек корпуса изделия, а герметичность обеспечивать применением металлостеклянного ввода, впаиваемого в его корпус. Выводы фильтра и ввода соединяют перемычкой. Этот прием вряд ли можно признать эффективным, если учесть еще, что в изделии используются несколько фильтров.
Второй способ – применение металлостеклянного спая. В этом случае обеспечивается вакуумная плотность фильтра – скорость натекания не превышает 10-11 м3·Па/с. Именно такие фильтры желательно применять в современной герметизированной РЭА СВЧ повышенной надежности и долговечности. Многие фильтры зарубежных фирм, герметизированные металлостеклянным спаем, имеют большую электрическую емкость (от десятых долей до нескольких микрофарад) и вследствие этого эффективно подавляют электромагнитные помехи с частотами более 10 кГц. Однако их габариты и масса велики и поэтому в микроэлектронике СВЧ такие фильтры не применяются. Миниатюрные C- и L-C-фильтры выпускают фирмы: Maxwell, Spectrum Control (США), Tusonix (Франция, США), Eurofarad (Франция) (табл.1).
ВНОСИМОЕ ЗАТУХАНИЕ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
Предварительные замечания. При изучении работ, посвященных отечественным фильтрам [1,2,4], возникает ряд вопросов. Во-первых, вносимое затухание (основной параметр фильтров) определяется в измерительной схеме с волновым сопротивлением 75 Ом. Однако в технике СВЧ общепринято значение волнового сопротивления 50 Ом, и зарубежные производители фильтров определяют вносимое затухание только в 50-Ом измерительной схеме. По-видимому, имеются и другие различия в методиках измерения. Известно, например, что зарубежные измерители КСВ и ослабления позволяют измерять вносимое затухание 60 дБ и более, а существующие отечественные – менее 40 дБ. Не этим ли объясняется низкое, по сравнению с зарубежными данными, значение вносимого затухания (35–45 дБ) фильтров Б7-2, Б14, Б23А? И чем подтверждается достоверность приводимого для фильтров Б24 и Б23Б вносимого затухания в 65–70 дБ? К сожалению, эти вопросы авторы работ [1,2] не рассматривают.
Во-вторых, приведенные в работах [1,2,4] значения вносимого затухания в некотором диапазоне частот для отечественных фильтров (исключая фильтры Б23Б и Б24) не являются информативным показателем. Как понимать, например, что у фильтра Б7-2 вносимое затухание в диапазоне частот 100–200 МГц равно 35 дБ, если на частоте 100 МГц (а это частота среза) оно равно 3 дБ? Для установления истинных параметров помехоподавления приходится обращаться к техническим условиям. Только в них, как и во всех зарубежных источниках, приведены значения вносимого затухания на фиксированных частотах рабочего диапазона, по которым можно просмотреть частотную зависимость вносимого затухания.
И наконец, при анализе данных работ [1,2] непонятно, почему для фильтров с одинаковой индуктивностью 0,05 мкГн типов Б7-2 (номинальная емкость 4700пФ) и Б14 (3300 и 4700 пФ) верхняя частота помехоподавления ограничена величиной 1,5 ГГц, а для фильтра Б23А (емкость 1000 и 1500 пФ) – 10 ГГц?
Несмотря на эти замечания, сравним вносимое затухание аналогичных отечественных и зарубежных фильтров. Габариты и масса фильтров Б7-2, Б14 и Б23А велики, уровень вносимого затухания мал (35–45 дБ), недостаточен и гарантированный частотный диапазон помехоподавления (исключая Б23А). Поэтому из всех отечественных фильтров имеет смысл отсановиться только на наиболее преспективных Рi-фильтрах Б24. Это серия фильтров с номинальной емкостью от 43 до 10000 пФ и индуктивностью от 0,03 до 1,8 мкГн. Значение вносимого затухания на высоких частотах достигает 65–70 дБ. Частота среза для фильтров с емкостью 10000 пФ равна 0,7 МГц.
Проведенный нами статистический анализ параметров большого числа зарубежных фильтров показал, что при емкости 100 пФ частота среза равна 100 МГц, при 1500 пФ – 10 МГц, а при 10000 пФ – менее 1 МГц. Уровень вносимого затухания фильтров зарубежных производителей на частотах более 1 ГГц составляет 60–70 дБ. Таким образом, по своим электрическим параметрам отечественные фильтры Б24 действительно не уступают зарубежным.
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ФИЛЬТРОВ В КОРПУСА ИЗДЕЛИЙ
Допустимая температура нагрева. Конструкция всех отечественных фильтров, основы которой были разработаны еще в 60-е годы прошлого века, имеет две отличительные черты:
· использование керамического трубчатого конденсатора в качестве элемента корпуса фильтров Б7-2, Б23А, Б24 (варианты а и б). В фильтрах Б14 и Б24 (вариант в) на конденсатор припаивается резьбовая втулка, являющаяся элементом крепления и служащая для отвода помех "на землю" [2], но это принципиально не меняет сути конструкции;
· применение эпоксидного компаунда для герметизации фильтров.
В связи с этим монтаж фильтров в корпуса изделий возможен только путем вклеивания или низкотемпературной пайки в течение менее 4 с припоями типа ПОСК50-18 (температура плавления 145°C) паяльником с температурой жала 200±10°C. Перегрев более чем на 10°C недопустим. Соединение выводов фильтров с электрической схемой необходимо выполнять пайкой припоями ПОСК50-18 или ПСрОС-58. При этом рекомендуется применять теплоотвод от контактного узла фильтра, поскольку перегрев приводит к размягчению компаунда и смещению вывода, а также к возникновению трещин в керамическом корпусе, что хорошо известно тем, кто имел дело с отечественными фильтрами.
При монтаже фильтров необходимо соблюдать осторожность, так как изгибающие нагрузки, крутящие моменты более 0,025 кгс·м и удары приводят к образованию трещин и сколов керамики и могут вывести фильтры из строя [1,2]. Между тем многих этих недостатков можно было бы избежать, если, подобно зарубежным фирмам, изготавливать фильтры в металлических корпусах и герметизировать их металлостеклянным спаем.
Фильтры, выпускаемые различными зарубежными фирмами, близки по своим конструктивным и электрическим параметрам. Поэтому ограничимся кратким анализом фильтров фирмы Eurofarad (см. рисунок), недавно появившихся на отечественном рынке. Эти фильтры герметизированы с одного торца металлостеклянным спаем, а с другого – термостойким компаундом. Допустимая предельная температура кратковременного (не более 6 с) нагрева фильтров при пайке в корпуса изделий составляет 275±5°C. Металлические корпус и выводы фильтра покрыты серебром или золотом. Диапазон рабочих температур фильтров серии FC030 составляет -55–175°C, остальных серий – от -55 до 125°C.
В отечественных и зарубежных фильтрах применяются миниатюрные керамические трубчатые и многослойные дисковые конденсаторы. Они в значительной степени определяют основные параметры фильтров, поэтому фирмы-изготовители фильтров обычно имеют собственное керамическое производство. Уровень технологии изготовления конденсаторов в нашей стране и за рубежом можно сравнить хотя бы по точности их размеров (табл.2). Результаты сравнения в комментариях не нуждаются. Ясно только, что конденсаторы ОАО "Кулон" с недопустимо большим разбросом размеров по наружному и внутреннему диаметрам непригодны для установки (впаивания) в герметичные металлостеклянные корпуса фильтров.
Стоимость фильтров. Фильтр Б24 стоит менее 2 долл. Цена фильтров зарубежных фирм в зависимости от их назначения, сложности конструкции и объема поставляемой партии, по имеющимся у автора данным, составляет 2–10 долл. Для изделий микроэлектроники СВЧ желательно применять фильтры, соответствующие военным стандартам, а такие фильтры, естественно, стоят дороже.
ЕСТЬ ЛИ АЛЬТЕРНАТИВА МИНИАТЮРНЫМ ГЕРМЕТИЧНЫМ ЗАРУБЕЖНЫМ ФИЛЬТРАМ?
Вследствие отсутствия отечественных серийно выпускаемых фильтров, удовлетворяющих требованиям современной микроэлектроники СВЧ, предприятие ФГУП "НПП "Исток" было вынуждено разработать и освоить выпуск миниатюрных герметичных L-C-фильтров в металлических корпусах (см. табл.1) [3,9,10]. В конденсаторах для разработанных фильтров применены трубки с высокоточными размерами из керамики Т10000 (группа Н90) и Т-150 производства РУНПП "Монолит" (см. табл.2). В конструкции фильтров не используются органические материалы. Металлические поверхности корпуса и выводы фильтра покрыты сплавом палладий-никель. Благодаря этому допустимая температура кратковременного нагрева фильтров при пайке составляет 320°C, что при сборке изделий позволяет проводить ступенчатую пайку.
Созданные фильтры предназначены для обеспечения разработок и собственного производства предприятия. Но кроме этого они поставляются ещё более чем 25 предприятиям электронной техники. Годовой объём выпуска фильтров сравнительно невелик (20–25 тыс. шт.), поэтому их стоимость достаточно высока и сравнима с ценой зарубежных аналогов. Однако высокая стоимость оправдана высоким качеством фильтров. К сожалению, перспектива промышленного выпуска разработанных фильтров пока не просматривается.
ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗРАБОТОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ
Эти направления сформулированы в работе [2]. Во-первых, – применение новых термостабильных керамических материалов при изготовлении конденсаторов фильтров. Во-вторых, – создание фильтров с номинальными напряжением до 1000 В и током до 200 А. В-третьих, – разработка C- и L-C-фильтров в металлических корпусах, подобных зарубежным Bolt-in-Filters. И наконец, – создание многозвенных фильтров, фильтров для "наплатного" монтажа и фильтров с варисторной защитой.
Из этих направлений для микроэлектроники СВЧ наибольший интерес представляют первое и третье. Актуальность создания и применения новых термостабильных материалов для конденсаторов несомненна. Вопрос лишь в том, будут ли выпускаться на основе таких материалов достаточно дешёвые миниатюрные трубчатые и многослойные дисковые конденсаторы с точными размерами. Важно также, что планируется разработка фильтров в металлических корпусах.
Но что понимается под зарубежным прототипом Bolt-in-Filters? Ведь обычно это резьбовые фильтры, герметизированные компаундом [4,9]. Их более точное название – Resin Style Bolt-in-Filters или Bolt Style Epoxy Seals. Хотелось бы, чтобы в качестве прототипа были выбраны Bolt Style Hermetic Filters [4,9] – резьбовые фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем. Если этого не сделать, то в ближайшие годы в нашей стране не появятся миниатюрные герметичные промышленные фильтры и останутся связанные с этим проблемы.
ПОДВОДЯ ИТОГИ
Из всех серийно выпускаемых отечественной промышленностью фильтров для микроэлектроники СВЧ только фильтр типа Б24 конкурентоспособен с зарубежными аналогами. Эти фильтры дешевле зарубежных и не уступают им по таким основным параметрам, как миниатюрность, номинальная электрическая емкость, вносимое затухание в широком диапазоне частот.
Вместе с тем, миниатюрные зарубежные фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем, превосходят фильтр типа Б24 по таким показателям, как герметичность, допустимая температура кратковременного нагрева, степень повреждаемости при установке и пайке в изделия.
ТАК КАКИЕ ЖЕ ФИЛЬТРЫ ЛУЧШЕ: ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ИЛИ ЗАРУБЕЖНЫЕ?
Автор стремился дать объективную оценку достоинств и недостатков отечественных помехоподавляющих фильтров. Выбор же отечественного или зарубежного фильтра остается за разработчиками конкретных изделий микроэлектроники СВЧ. Несомненно только, что отечественная микроэлектроника СВЧ должна базироваться на отечественных компонентах, в том числе и фильтрах, не уступающих по своим параметрам зарубежным аналогам.
Литература
1. Воловик М. Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры для подавления электромагнитных помех.– Компоненты и технология, 2002, №5, с. 8–11.
2. Воловик М., Смирнов В. Керамические проходные конденсаторы и фильтры нижних частот. Состояние и перспективы развития. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №7, с. 36–40.
3. Джуринский К. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. – М.: Агентство "Издательский сервис", 2003 – 128 с.
4. ОАО "Кулон". Каталог, 2004.
5. "EMI RFI Filters. Product Catalog 029 фирмы Eurofarad". New Issue, 2003.
6. Каталог фирмы Maxwell Technologies Energy Produсt (Sierra- KD components), 2000.
7. EMI/RFI Filters. Каталог 4000R4 фирмы Tusonix Inc, 2003.
8. EMI Filtering Product Guide. Innovative. EMC Solution. Каталог фирмы Spectrum Control Inc. ISO 9001, 1997.
9. Джуринский К. Миниатюрные помехоподавляющие фильтры для РЭА СВЧ. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, №3, с.24–30.
10. Джуринский К. Зарубежные и отечественные миниатюрные фильтры нижних частот для подавления помех в РЭА СВЧ. Справочные материалы по электронной технике.– НПП "Исток", 1998, 42 с.
11. РУНПП " Монолит". Каталог, 2003.
Отзывы читателей
