Введение
Во время учебной практики изучены параметры и конструктивные особенности полосовых фильтров. Целью учебной практики является написание сравнительного отчета о достоинствах и недостатках СВЧ фильтров отечественных и зарубежных производителей. Полосовой фильтр это электронное устройство, способное пропускать сигналы определённого диапазона частот, и подавлять сигналы, которые не входят в этот диапазон.
Описание фильтра
В отчёте представлен полосовой СВЧ фильтр производства НПП «Исток», сконструированный по технологии LTCC. Данный фильтр является полосовым и работает в диапазоне частот от 2,75 ГГц до 2,85 ГГц, вносимые затухания фильтра не более 2,1 дБ. Во время учебной практики был изучен СВЧ фильтр производства НПП «Исток» изготовленный по технологии LTCC. В качестве исходных данных есть изображение внешнего вида платы и график АЧХ в полосе рабочих частот. Данный фильтр является полосовым и работает в диапазоне частот от 2750 МГц до 2850 МГц. Фильтр выполнен на многослойной керамической плате размером 19.85х13.7х1.5 мм в виде симметричной полосковой линии из тонкого слоя золота.
Рисунок 1. Общий вид платы фильтра в корпусе
Выпускаются разные СВЧ фильтры, которые отличаются по характеристикам и конструкции. В России полосовые фильтры выпускают предприятия, такие как ННП «Исток», НПП «Гамма» и НПП «Фаза». Улучшение характеристик СВЧ фильтров актуально, так как с ростом рабочих частот, возрастают потери сигнала. Чем меньше потери сигнала на выходе фильтра, тем лучше. Полосовые фильтры применяются в различных модуляторах и малошумящих усилителях, для выделения нужного диапазона частот. В устройствах передачи и приема СВЧ сигналов, таких как мобильные телефоны, полосовые фильтры используют для настройки на определенную частоту. Полосовые фильтры отличаются по конструктивному исполнению и габаритам. Когда в устройствах размер элементов должен быть минимальным и передаются сигналы низкой мощности, становится актуальным использование полосовых фильтров на микрополосковых линиях. Основными параметрами полосового фильтра являются, его центральная частота и полоса пропускания по уровню -3 дБ. От ширины полосы пропускания будет зависеть, какие частоты будут проходить через фильтр. Выходной сигнал фильтра ослабевает, так как фильтр является пассивным устройством. При выборе фильтра важно, чтобы потери сигнала на выходе были минимальными. Преимущества полосовых фильтров на микрополосковых линиях в том, что они, по сравнению с другими видами высокочастотных фильтров, имеют минимальные размеры, дешевые в изготовлении, и могут работать на очень высоких частотах.
Сравнительный обзор фильтров.
Полосовые фильтры разных производителей отличаются по параметрам. Могут отличаться по конструкции в зависимости от их области применения. Микрополосковые фильтры могут быть построены на встречных линиях или на полуволновых резонаторах. Они имеют минимальные габариты и массу, но через них нельзя пропускать мощные СВЧ сигналы. Часто полосовые фильтры конструируют на коаксиальных линиях и виде волноводов. Фильтры делятся на два основных типа, это фильтры для подавления низких частот и фильтры для высоких частот. На их основе построены полосовые фильтры. Простые фильтры состоят из радиоэлектронных элементов, они работают в метровом диапазоне радиоволн. Полосовые фильтры для диапазона СВЧ бывают разных типов. Фильтры на сосредоточенных элементах, работают в дециметровом диапазоне, эти фильтры могут работать на частотах до 3 ГГц. Их преимущество заключается в широкой полосе заграждения и малых размерах. Для приемных и передающих устройств используют фильтры на коаксиальных резонаторах, у них низкий уровень вносимых потерь, малые размеры, и они могут работать на частотах до 4 ГГц.
Рисунок 2. Типы фильтров дециметрового диапазона радиоволн.
Преимущества керамических фильтров в малых размерах и высокой надежности. Из-за малых размеров фильтры на микрополосковых линиях удобно использовать в малогабаритных устройствах, они могут работать на частотах до 40 ГГц, но не достаточно мощные. Если требуется выдать мощный высокочастотный сигнал, используют встречно-стержневые фильтры. Их преимущество в высокой выходной мощности и хорошей избирательности, также они работают на частотах до 40 ГГц.
Рисунок 3. Типы фильтров сантиметрового диапазона радиоволн
Конструктивно СВЧ фильтр может быть выполнен как элемент для поверхностного монтажа, в герметичном корпусе с выводами или с коаксиальными соединителями. В мощных СВЧ устройствах применяются полосовые фильтры в виде волноводных линий. Полосовые фильтры входят в состав приемных и передающих модулей, используются в формировании высокочастотных сигналов. Область применения СВЧ фильтров – это системы для космических аппаратов, комплексы оборудования для радиолокации и навигации, различные средства связи и измерительная техника. Предприятие НПП «Исток» производит множество различных фильтров, которые используются в качестве узлов в модуляторах приемопередающих модулях.
Рисунок 4. Виды конструкций СВЧ фильтров
В настоящее время наиболее актуальны фильтры изготовленные по технологии LTCC, потому что их можно интегрировать в состав микросхем в одном технологическом процессе, что удобно в массовом производстве. Данная технология нашла широкое применение в производстве интегральных микросхем. Преимущества полосовых фильтров, изготовленных по LTCC технологии, в стабильности электрических параметров и возможность работы в диапазоне миллиметровых длин волн. Изготовленные по этой технологии платы имеют низкий коэффициент температурного расширения. Можно изготавливать герметичные устройства, с использованием высокотемпературной пайки.
Рисунок 5. Фильтры, изготовленные по технологии LTCC
Кроме разных типов конструктивного исполнения, фильтры отличаются по параметрам. Основным параметром полосового фильтра является центральная частота. Она равна среднему арифметическому значению между нижней и верхней частотами. Полоса пропускания по уровню – это характеристика полосового фильтра, которая равна разности частот верхней и нижней частот, в пределах которых сигнал не ослабевает ниже определенного значения, например ниже -3 дБ. Важным параметром при выборе фильтра, является мощность, которую можно подать на вход фильтра. Из-за большой мощности сигнала фильтр может выйти из строя от перегрева, и электрические характеристики фильтра могут измениться в худшую сторону. Полосовой фильтр является четырехполюсником с одним входом и выходом. Важным параметром для пассивных устройств, таких как фильтры, является согласование с источником сигнала и нагрузкой, обычно волновое сопротивление равно 50 Ом.
Степень согласования по входу и выходу, определяется с помощью КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению. КСВН – это безразмерная величина, равная отношению между падающей и отраженной волнами. У каждого фильтра есть область, в которой сигнал гарантировано затухает. Обычно гарантированное затухание измеряют на уровнях -30 дБ и -60 дБ. Величина затухания, выражается в децибелах. Важным параметром фильтра является число резонансных контуров, чем их больше, тем выше порядок фильтра. Также СВЧ фильтры имеют второстепенные характеристики, которые не всегда указываются в обзорах. К таким характеристикам можно отнести: групповое время запаздывания сигнала, нелинейность ФЧХ, неравномерность в полосе пропускания. Параметры фильтров измеряют с помощью анализаторов спектра. Полосовые фильтры производят под разные диапазоны частот. Они различаются по параметрам. С увеличением центральной частоты фильтра, вносимые потери увеличиваются. Параметры СВЧ фильтров будут различаться от их технологии изготовления и конструктивных особенностей. Для сравнения характеристик подобраны полосовые фильтры компании «Радиокомп». Эта компания занимается разработкой пассивных аналоговых устройств в диапазоне до 26,5 ГГц. Фильтр 5СГБ-567Н18-Т является полосовым фильтром на сосредоточенных элементах. Он работает на частоте 567 МГц, имеет герметичный корпус под выводной монтаж и полосу пропускания в 18 МГц. Данный фильтр компании «Радиокомп» имеет недостатки по сравнению с полосовым фильтром производства НПП «Исток». При значительно меньшей рабочей частоте он вносит большее затухание сигнала, но зато имеет узкую полосу пропускания в 18 МГц и крутую частотную характеристику.
Рисунок 6. Полосовой Фильтр 5СГБ-567Н18-Т.
Следующий рассматриваемый фильтр 5СН7-525Н250-4, тоже является полосовым фильтром на сосредоточенных элементах. Он работает на частоте 525 МГц, имеет корпус для поверхностного монтажа и широкую полосу пропускания в 250 МГц. Данный фильтр не вносит больших затуханий в сигнал. Преимущество этого фильтра заключается в широкой полосе пропускания по уровню -1 дБ.
Рисунок 7. Полосовой Фильтр 5СН7-525Н250-4.
Общий недостаток фильтров построенных на сосредоточенных элементах, по сравнению с фильтрами, изготовленными по технологии LTCC – это низкие рабочие частоты. Фильтры на сосредоточенных элементах применяются в устройствах, где требуется выделить определенный диапазон частот, и рабочие частоты не превышают 1 ГГц. Наиболее подходят для сравнения фильтры, выполненные на одиночных коаксиально-керамических резонаторах. Эти фильтры могут работать в диапазоне частот до 4 ГГц, имеют малые размеры и малые вносимые затухания в сигнал. Пропускаемая через такой фильтр мощность может достигать 5 Вт.
Рисунок 8. Полосовой Фильтр 6КН7-2350Т50-4.
Данный полосовой фильтр выполнен на коаксиально-керамических резонаторах. Фильтр 6КН7-2350Т50-4 работает на номинальной частоте 2350 МГц. Преимущество этого фильтра заключается в узкой полосе пропускания по уровню -3 дБ. Данный полосовой фильтр вносит сильное ослабление в полосе заграждения. Фильтр 6КН7-2350Т50-4 имеет корпус размером 39х14,2х7,1 мм для поверхностного монтажа. Недостаток полосового фильтра 6КН7-2350Т50-4, по сравнению с фильтром, изготовленными по технологии LTCC, производства ННП «Исток», заключается в более высоком уровне вносимых потерь. Кроме представленных фильтров есть несколько полосовых фильтров, которые обладают меньшими рабочими частотами, но имеют очень узкую полосу пропускания. Половой фильтр 10КГЕ-420Т10-8 построен на коаксиально-керамических резонаторах. Преимущество этого фильтра в узкой полосе пропускания в 10МГц.
Рисунок 9. Полосовой Фильтр 5КГИ-1049П10-Б.
Фильтр 5КГИ-1049П10-Б является полосовым фильтром 5 порядка. Он сконструирован на коаксиально-керамических резонаторах. Фильтр работает на частоте 1049 МГц, имеет узкую полосу пропускания в 10 МГц, по уровню -0,5 дБ. Вносимое ослабление в полосе пропускания составляет не более 3 дБ. В фильтре есть два дополнительных ФНЧ для подавления частот до 7,5 ГГц. Фильтр имеет герметичный корпус размером 82,5х39х18,5 мм. Для подключения фильтра используются два SMA-соединителя. Недостатком фильтра 5КГИ-1049П10-Б, по сравнению с фильтром, изготовленными по технологии LTCC, является большой размер корпуса, из-за чего его нельзя использовать в малогабаритных устройствах.
Рисунок 10. Полосовой Фильтр 7АНК-1200В150-Б.
Далее для сравнения с фильтром, изготовленными по технологии LTCC, представлены полосовые фильтры построенные на встречно-стержневой структуре. Корпуса этих фильтров изготавливают из алюминия или титана, они герметичны и имеют высокую температурную стабильность.
Основное преимущество таких фильтров – это высокая рабочая мощность до 100 Ватт. Полосовой Фильтр 7-ого порядка 7АНК-1200В150-Б, построен на встречно стержневой структуре и работает на частоте 1,2 ГГц. Данный фильтр имеет корпус с двумя SMA-соединителями размером 140х73,5х24,3 мм. Достоинством этого фильтра является очень широкая полоса пропускания по уровню -0,2 дБ, низкие вносимые потери в диапазоне рабочих частот и хорошее согласование. КСВН фильтра в полосе пропускания не превышает 1,4. Единственный недостаток фильтра 7АНК-1200В150-Б, по сравнению с фильтром, изготовленным по технологии LTCC, это большие габариты, но этот недостаток компенсируется высокой мощностью фильтра. Полосовой фильтр 7АНК-1200В150-Б, является хорошим решением для мощных приемо-передающих СВЧ устройств.
Рисунок 11. Полосовой Фильтр 8АГЛ-7225П350-Б
Фильтр 8АГЛ-7225П350-Б является гребенчатым полосовым фильтром 8 порядка. Центральная частота этого фильтра равна 7225 МГц. Этот фильтр обладает широкой полосой пропускания с малыми потерями и хорошим ослаблением в полосе задерживания. Фильтр имеет герметичный корпус с SMA-соединителями. Размер корпуса составляет 83,0х30,5х20,5 мм. Преимуществом данного фильтра является высокая рабочая частота, хорошее согласование и малые потери в диапазоне рабочих частот. По сравнению с исследуемым фильтром производства НПП «Исток», изготовленным по технологии LTCC, на фильтр 8АГЛ-7225П350-Б можно подавать мощные СВЧ сигналы, и он имеет низкий уровень потерь.
Фильтр 6КН7-2350Т50-4 производства компании «Радиокомп», построенный на коаксиально-керамических резонаторах, является наиболее близким по диапазону рабочих частот к полосовому фильтру производства НПП «Исток». Встречно-стержневой фильтр 7АНК-1200В150 имеет похожую ширину полосы пропускания с фильтром производства НПП «Исток». Далее будут рассматриваться моноблочные керамические фильтры и фильтры на микрополосковых линиях. Преимущества моноблочных керамических фильтров заключается в хорошем подавлении в полосе затухания, за счет специальных экранов и возможности регулирования связей между резонаторами с помощью диэлектрических слоев. У этих фильтров выше добротность, чем у фильтров на сосредоточенных элементах. Они обладают высокой надежностью и стойкостью. Через моноблочные фильтры можно пропускать сигналы мощностью до 5 Вт.
Рисунок 12. Полосовой фильтр 2К4-1212П94
Фильтр 2К4-1212П94 работает на частоте 1212 МГц, имеет полосу пропускания шириной 94 МГц. Вносимые затухания в сигнал составляют не более 1,3 дБ. Данный монолитный керамический фильтр имеет малые размеры корпуса 8,3х7х3,7 мм, что делает его удобным для поверхностного монтажа. Следующий тип полосовых фильтров – это фильтры на микрополосковых линиях, такие фильтры состоят из поликоровой платы, на которую наносят тонкий проводящий слой. Такие фильтры имеют малые размеры. С помощью микрополосковых линий можно формировать фильтры с различными частотными характеристиками.
Рисунок 13. Полосовой фильтр 4КН5-2900Н450-4
Данный фильтр на микрополосковых линиях работает на центральной частоте 2,9 ГГц, имеет полосу пропускания 400 МГц по уровню -1 дБ, и низкий уровень затухания в рабочей полосе частот. Корпус фильтра имеет размеры 10х10х5,2 мм и подходит для поверхностного монтажа. Преимущество этого фильтра заключается в низком уровне затухания сигнала и возможности поверхностного монтажа.
Полосовой фильтр 8М2-10000Н1000-4 построен на симметричных микро-полосковых линиях. Он работает на частоте 10 ГГц и имеет полосу пропускания в 1 ГГц по уровню -1 дБ. Корпус фильтра размером 11,3х14,9х2,5 мм подходит для поверхностного монтажа в компактных СВЧ устройствах. Преимущество этого фильтра, заключается в малых размерах корпуса и высокой рабочей частоте.
Рисунок 14. Полосовой фильтр 8М2-10000Н1000-4.
Фильтр 5АНГ-8450Н300-Б построен на несимметричных полосковых линиях. Он работает на частоте 8,45 ГГц и имеет полосу пропускания 300 МГц. Вносимое затухание сигнала в полосе рабочих частот составляет 1,5 дБ. Корпус фильтра выполнен из металла и имеет два SMA-соединителя. Размер корпуса составляет 63х14х16 мм. Фильтр обладает хорошим ослаблением в полосе задерживания.
Рисунок 15. Полосовой фильтр 5АНГ-8450Н300-Б.
Моноблочные керамические фильтры и полосовые фильтры на микрополосковых линиях обладают такими же достоинствами, как и фильтры изготовленные по технологии LTCC. Они имеют малые размеры, низкие потери и широкий диапазон частот. Но по сравнению с ними фильтры по технологии LTCC, можно интегрировать вместе с активными элементами в одном технологическом цикле, и за счет межслойных связей можно формировать нужный уровень затухания фильтра на разных частотах. Фильтр 4КН5-2900Н450 на микрополосковых линиях, ближе всего подходит в качестве аналога фильтра изготовленного по технологии LTCC, производства НПП «Исток». Эти фильтры работают в одном диапазоне частот и у них схожие габаритные размеры, но у фильтра 4КН5-2900Н450 более широкая полоса пропускания, и ниже затухание в полосе задерживания.
Таблица 1. Сравнение полосовых фильтров.
| Название фильтра | Рабочая частота | Ширина полосы частот | Ослабление в полосе пропускания |
| НПП «Исток» | 2,8 ГГц | 100 МГц | 2,1 дБ |
| 2К4-1212П94 | 1,2 ГГц | 94 МГц | 1,3 дБ |
| 4КН5-2900Н450 | 2,9 ГГц | 400 МГц | 1 дБ |
| 8М-10000Н1000 | 10 ГГц | 1 ГГц | 1,5 дБ |
| 5АНГ-8450Н300 | 8,45 ГГц | 300 МГц | 1,5 дБ |
| 5СГБ-567Н18-Т | 567 МГц | 18 МГц | 1 дБ |
| 5СН7-525Н250-4 | 525 МГц | 250 МГц | 1 дБ |
| 6КН7-2350Т50-4 | 2,35 ГГц | 50 МГц | 3 дБ |
| 10КГЕ-420Т10-8 | 420 МГц | 10 МГц | 4,5 дБ |
| 5КГИ-1049П10 | 1,05 ГГц | 10 МГц | 0,5 дБ |
| 7АНК-1200В150 | 1,2 ГГц | 150 МГц | 0,2 дБ |
| 8АГЛ-7225П350 | 7,22 ГГц | 350 МГц | 0,5 дБ |
| 3 КГА-5950П300 | 5,95 ГГц | 300 МГц | 2 дБ |
| DFCH22G45HDHAA | 2.45 ГГц | 100 МГц | 1 дБ |
| BPC3-2442-084SB | 2.44 ГГц | 82 МГц | 2,4 дБ |
| DFCB32G45LBJAA | 2.45 ГГц | 100 МГц | 3,2 дБ |
| DFCB35G77LAHAA | 5.77 ГГц | 100 МГц | 3 дБ |
| IBB2-2442-084SA | 2.44 ГГц | 82 МГц | 2 дБ |
| IDD2-5800-150SA | 5.8 ГГц | 150 МГц | 2 дБ |
| B69812N2337B313 | 2.33 ГГц | 150 МГц | 2 дБ |
| B69842N5807A150 | 5.8 ГГц | 150 МГц | 1,3 дБ |
| VF2450B2 | 2.45 ГГц | 100 МГц | 2 дБ |
| ППФ ФПИС 2-24-2 | 9,5 ГГц | 50 МГц | 4,2 дБ |
| ППФ ФПИС 2-1 | 15,6 ГГц | 40 МГц | 5,0 дБ |
| ППФ ФПИС 2-1-1 | 9,6 ГГц | 60 МГц | 4,2 дБ |
| ППФ ФКИС 2-2Е | 5,4 ГГц | 24 МГц | 3,3 дБ |
| ППФ ФКИС 2-3.3 | 2,6 ГГц | 24 МГц | 2,3 дБ |
| ППФ ФКИС 2-4 | 3,0 ГГц | 120 МГц | 2,6 дБ |
Заключение
В данном отчёте по учебной практике были рассмотрены полосовые фильтры разных типов. Сравнивались разные типы фильтров отечественных и зарубежных производителей с полосовым фильтром производства НПП «Исток». Похожие фильтры других производителей не в полной мере подходили по всем нужным параметрам, некоторые фильтры обладали подходящим частотным диапазоном, но имели слишком большие габариты и массу. Другие фильтры подходили по типу корпуса и способу монтажа, но работали совершенно в других диапазонах частот. В ходе сравнения не было найдено подходящего аналога, поэтому можно считать актуальным разработку данного полосового фильтра.
Список литературы
1. К. И. Алмазов-Долженко, А. Н. Королев, Техническая электродинамика и устройства СВЧ
2. Л. В. Ляпин, В. А. Иовдальский. Низкотемпературная многослойная керамики LTCC: Материалы, технология, конструкция и применение.
Ссылки на интернет ресурсы:
3. Каталог полосовых фильтров: https://f8.team/catalog/filtry-svch/sub-polosovye
4. Список полосовых фильтров: https://filin-rf.ru/index.html#wrap