Полосовые фильтры

В электронной аппаратуре чрезвычайно важную роль играют пассивные полосовые фильтры. Полосовые фильтры успешно конкурируют с фильтрами других типов, которые разработаны уже несколько десятилетий тому назад и широко используются на практике. Пассивные полосовые фильтры с дискретными элементами, т.е. конденсаторами, катушками индуктивности и резонаторами, а так же активные фильтры, в состав которых входят усилители, могут быть реализованы для широкого диапазона частот от 0,1 Гц до 1 ГГц. Полосовые фильтры, в которых используются электрические цепи с распределенными постоянными, линии передачи или волноводы, предназначены для использования на частотах выше 100 МГц. Фильтры с электромеханическими резонаторами, например кварцевые, могут обеспечивать селекцию частот в очень узкой относительной полосе частот, равной, например, 0,1%. Такая полоса может быть реализована в диапазоне частот от 1 КГц до 100 МГц

Полосовые фильтры во многих отношениях аналогичны электрическим фильтрам с распределенными параметрами. Принципиальное отличие между ними состоит в том, что скорость ПАВ в твердом теле приблизительно в 105 раз меньше, чем скорость электромагнитной волны в воздухе. Поэтому фильтры на ПАВ могут быть использованы в диапазоне частот приблизительно от 1 МГц до 3ГГц, причем нижняя граница этого диапазона определяется размерами подложек, а верхняя – возможностью изготовления преобразователей.

Рис. 1. Измеренные частотные характеристики (АЧХ) фильтра на 3320 МГц

АЧХ полосового фильтра

Современные радиочастотные фильтры используется для снижения уровня помех РА (трансиверы, приемники, передатчики) НЧ и СВЧ диапазонов, которые поступают в общую внешнюю сеть через преобразователи частот устройства. Простейшим среди фильтров является RC-фильтр. Принцип его работы основан на том, что при изменении частоты реактивное сопротивление конденсатора изменяется обратно пропорционально частоте, а сопроти­вление резистора остается неизменным.

В современной РА работающей на микросхемах в СВЧ диапазоне, позволяющей настраивать или перестраивать частоту опорного сигнала, используются современные высоко стабильные фильтры СВЧ диапазона.

Расчет и сравнение полосовых и LC-фильтров

Проектирование и расчет полосового фильтра начинается с задания технических характеристик фильтра, а именно - требований к АЧХ в полосе пропускания и полосе подавления, ширине переходной полосы, требований к ФЧХ или характеристики группового времени запаздывания, а также другим параметрам, например, к сопротивлению нагрузки, уровню сигнала и т.п.

Далее решается задача нахождения подходящей передаточной функции, удовлетворяющей заданным требованиям и реализация выбранной передаточной функции. Решение этой задачи сводится к выбору вида аппроксимирующей функции и определению по таблицам и графикам соответствующих коэффициентов передаточной функции, определяющих в конечном итоге параметры элементов фильтра.

Необходимо произвести анализ фильтра, то есть исследование его характеристик на соответствие требуемым допускам, чувствительность к изменению параметров схемы.

Такой анализ выполняется при номинальных значениях параметров, чтобы проверить правильность расчетов. Анализ позволяет учесть фактор изменения климатических условий и т.п. и принять соответствующие меры для стабилизации характеристик фильтра.

На следующей стадии проектирования осуществляется сравнение технических требований с характеристиками, рассчитанными на этапе анализа. Если требования не выполняются, необходимо изменить параметры фильтра выбрать другой тип или снизить требования к характеристикам и повторить расчеты.

После получения удовлетворительных характеристик переходят к этапу экспериментальных работ.

Рис. 2. Полосовые фильтры в корпусах для поверхностного монтажа.

Полосовые фильтры для поверхностного монтажа
Полосовой ПАВ-фильтр для монтажа

В электронных фильтрах форму характеристики во многих случаях можно контролировать с высокой степенью точности. Расчет характеристики LC-фильтров (наиболее распространенный класс фильтров) сравнительно прост, и за длительный период созданы эффективные методы их синтеза. Методы синтеза фильтров на ПАВ к настоящему времени так же уже отработаны в той мере, в какой это позволяет полностью оценить возможности их применения в областях, где требуется получение строго контролируемых характеристик. По сравнению с LC-фильтром полосовой ПАВ-фильтр всегда будет оставаться более сложной структурой со многими побочными эффектами, осложняющими его анализ и синтез.

Преимущества полосовых фильтров

Вместе с тем фильтры имеют ряд существенных преимуществ:

  • Они относятся к классу неминимально-фазовых цепей, и поэтому их, амплитудные и фазовые характеристики могут быть реализованы в заданном диапазоне частот с использованием такого эффективного средства, как преобразование Фурье, непосредственно связывающего структуру преобразователя с его частотной характеристикой
  • Стабильность характеристик фильтров на ПАВ определяется свойствами твердого тела: готовый фильтр уже не меняет своих характеристик под влиянием внешних воздействий
  • Все критические размеры фильтра устанавливаются фотолитографическими способами, и необходимость в точном задании размеров подложки отсутствует