RF och mikrovågsfilter
Radiofrekvens (RF) och mikrovågsfilter , representerar en klass av elektroniska filter designade för att fungera på signaler i megahertz till gigahertz frekvensområden ( medelfrekvent till extremt hög frekvens ). Detta frekvensområde är det intervall som används av de flesta sändningar av radio, tv, trådlös kommunikation (mobiltelefoner, Wi-Fi, etc.), och därför kommer de flesta RF- och mikrovågsenheter att inkludera någon form av filtrering på de signaler som sänds eller tas emot. Sådana filter används vanligtvis som byggstenar för duplexer och diplexer för att kombinera eller separera flera frekvensband.
Filterfunktioner
Fyra allmänna filterfunktioner är önskvärda:
- Bandpassfilter : välj endast ett önskat frekvensband
- Bandstoppfilter : eliminera ett oönskat band av frekvenser
- Lågpassfilter : tillåt endast frekvenser under en gränsfrekvens att passera
- Högpassfilter : tillåt endast frekvenser över en gränsfrekvens att passera
Filterteknik
I allmänhet består de flesta RF- och mikrovågsfilter oftast av en eller flera kopplade resonatorer , och därför kan vilken teknik som helst som kan användas för att tillverka resonatorer också användas för att tillverka filter. Den obelastade kvalitetsfaktorn för de resonatorer som används kommer i allmänhet att ställa in den selektivitet som filtret kan uppnå. Boken av Matthaei, Young och Jones ger en bra referens till design och realisering av RF- och mikrovågsfilter. Generaliserad filterteori arbetar med resonansfrekvenser och kopplingskoefficienter för kopplade resonatorer i ett mikrovågsfilter.
LC-filter med klumpelement
Den enklaste resonatorstrukturen som kan användas i rf- och mikrovågsfilter är en LC- tankkrets bestående av parallell- eller serieinduktorer och kondensatorer. Dessa har fördelen av att vara mycket kompakta, men resonatorernas låga kvalitetsfaktor leder till relativt dålig prestanda.
Lumped-Element LC-filter har både ett övre och ett lägre frekvensområde. När frekvensen blir mycket låg blir storleken på induktorerna som används i tankkretsen oöverkomligt stora i det låga kHz till Hz-området. Mycket lågfrekventa filter är ofta designade med kristaller för att övervinna detta problem. När frekvensen blir högre, in i 600 MHz och högre intervall, blir induktorerna i tankkretsen för små för att vara praktiska. Eftersom den elektriska reaktansen hos en induktor med en viss induktans ökar linjärt med avseende på frekvensen, vid högre frekvenser, för att uppnå samma reaktans, kan en oöverkomligt låg induktans krävas.
Plana filter
Plana transmissionsledningar , såsom mikrostrip , coplanar waveguide och stripline , kan också göra bra resonatorer och filter. Processerna som används för att tillverka mikrostripkretsar är mycket lika de processer som används för att tillverka tryckta kretskort och dessa filter har fördelen av att till stor del vara plana.
Precisionsplana filter tillverkas med en tunnfilmsprocess. Högre Q -faktorer kan erhållas genom att använda tangentiella dielektriska material med låg förlust för substratet såsom kvarts eller safir och metaller med lägre resistans såsom guld.
Koaxialfilter
Koaxialledningar ger högre kvalitetsfaktor än plana överföringsledningar, [ citation needed ] och används därför när högre prestanda krävs. Koaxialresonatorerna kan använda material med hög dielektrisk konstant för att minska deras totala storlek.
Kavitetsfilter
Fortfarande allmänt använda i frekvensområdet 40 MHz till 960 MHz, välkonstruerade kavitetsfilter är kapabla till hög selektivitet även under effektbelastningar på minst en megawatt. Högre Q- kvalitetsfaktor , såväl som ökad prestandastabilitet vid täta (ned till 75 kHz) frekvenser, kan uppnås genom att öka den inre volymen i filterkaviteterna.
Den fysiska längden på konventionella kavitetsfilter kan variera från över 205 cm i 40 MHz-området, ner till under 27,5 cm i 900 MHz-området.
I mikrovågsområdet (1000 MHz och uppåt) blir kavitetsfilter mer praktiska vad gäller storlek och en betydligt högre kvalitetsfaktor än resonatorer och filter med klumpade element.
Dielektriska filter
Puckar gjorda av olika dielektriska material kan också användas för att tillverka resonatorer. Liksom med koaxialresonatorerna kan material med hög dielektricitetskonstant användas för att minska filtrets totala storlek. Med dielektriska material med låg förlust kan dessa erbjuda betydligt högre prestanda än de andra tekniker som tidigare diskuterats.
Elektroakustiska filter
Elektroakustiska resonatorer baserade på piezoelektriska material kan användas för filter. Eftersom akustisk våglängd vid en given frekvens är flera storleksordningar kortare än den elektriska våglängden, är elektroakustiska resonatorer i allmänhet mindre i storlek och vikt än elektromagnetiska motsvarigheter såsom kavitetsresonatorer.
Ett vanligt exempel på en elektroakustisk resonator är kvartsresonatorn som i huvudsak är ett snitt av en piezoelektrisk kvartskristall fastklämd av ett par elektroder. Denna teknik är begränsad till några tiotals megahertz. För mikrovågsfrekvenser, vanligtvis mer än 100 MHz, använder de flesta filtren tunnfilmsteknologier såsom ytakustiska vågor (SAW) och tunnfilmsbaserade akustiska resonatorstrukturer (FBAR, TFBAR).
Vågledare filter
Våffeljärnsfiltret är ett exempel .
Energitunnelbaserade filter
Dessa är den nya klassen av mycket inställbara mikrovågsfilter. Dessa speciella typer av filter kan implementeras på vågledare, SIW eller på billig PCB-teknik och kan ställas in till valfri lägre eller högre frekvens med hjälp av omkopplare insatta i lämpliga positioner för att uppnå ett brett avstämningsområde.