Микрополосковые фильтры обеспечивают малый размер на высоких частотах

01.06.2022 | Статьи СВЧ технологии ● Knowles Precision Devices

Основным критерием выбора фильтра для любого из частотных диапазонов является оптимизация размера фильтра с учетом области применения и требуемых эксплуатационных характеристик. В диапазоне миллиметровых волн это может оказаться особенно интересной проблемой, учитывая изменение физических размеров системы при переходе, скажем, от 600 МГц к 38 ГГц.

Диапазон миллиметровых волн охватывает волны с частотой от 30 ГГЦ до 300 ГГЦ, а при указанных значениях частоты длина волны может составлять от 10 мм до 1 мм.

Уменьшение длины волны обеспечивает некоторые преимущества, так как физический размер антенн на частотах миллиметрового диапазона становится достаточно малым и дает возможность выстраивать сложные антенные решетки на микросхемах или непосредственно на печатной плате.

Это желательно с точки зрения уменьшения общего размера, но антенные решетки также выстраиваются в очень малых масштабах из-за некоторых ограничений, связанных с проектированием длин волн миллиметрового масштаба. В антеннах с фазированной решеткой элементы должны быть расположены достаточно близко друг к другу, чтобы избежать образования дифракционных лепестков решетки, а полуволновой интервал для частот миллиметрового диапазона составляет несколько миллиметров.

Для миллиметрового диапазона независимо от того, установлены ли фильтры рядом с каждой антенной или в каком-либо месте, которое защищает антенную решетку, важно учитывать размер фильтра по отношению к остальной площади входной части - становится физически громоздким монтировать устройства рядом с антенной, которые заметно отличаются по размеру от самой антенны (или антенной решетки).

Фильтры в миллиметровом диапазоне бывают всех форм и размеров. При построении графика площади, занимаемой деталью (на данный момент игнорируя толщину, которая имеет тенденцию масштабироваться с размерами x y), можно получить что-то вроде графика на рисунке 1.

Рисунок 1. Сравнение размеров фильтров для миллиметровых волн.

Видна определенная разница между фильтрами, реализованными в корпусе с подключением, и технологиями поверхностного монтажа. Как правило, для радиосистем небольшого размера предпочтительно использовать технологию поверхностного монтажа. Использование микрополоскового фильтра с технологией поверхностного монтажа позволяет уменьшить пространство, занимаемое фильтром в конструкции, при сохранении уровней производительности (с точки зрения полосы пропускания, подавления и вносимых потерь), которые не могут быть достигнуты, например, при установке фильтра в КНОП.

При этом не все микрополосковые фильтры одинаковые! Правильный выбор подложки, технологии покрытия и топологии позволяет значительно уменьшить размер микрополоскового фильтра для поверхностного монтажа.

В качестве примера давайте рассмотрим фильтр на подложке. В рамках упрощенной оценки можно рассмотреть длину волны сигнала, распространяющегося вдоль микрополоски с различными значениями диэлектрической проницаемости. Длина волны связана с диэлектрической проницаемостью (относительной диэлектрической проницаемостью) следующим образом:

где с = скорость света, f = частота и er = диэлектрическая проницаемость.

Теперь с микрополосковым фильтром эффективная диэлектрическая проницаемость немного меньше, чем диэлектрическая проницаемость фильтра с подложкой, так как часть полей от микрополоскового проводника оказывается в воздухе. Но ради этого упражнения мы можем упустить это из виду, поскольку мы хотим увидеть, как длина волны зависит от диэлектрической проницаемости.

Длина волны обратна корню квадратному из диэлектрической проницаемости. То есть для диэлектрической проницаемости 25 по сравнению с диэлектрической проницаемостью 4 длина волны в материале с более высокой диэлектрической проницаемостью будет в 2,5 раза меньше, чем в материале с более низкой диэлектрической проницаемостью. Ниже приведены характеристики некоторых распространенных диэлектриков, где PG, CF и CG обозначают диэлектрики, обычно используемые Knowles Precision Devices DLI для изготовления миниатюрных фильтров:

Топологии классических полосовых фильтров можно разделить на группы в зависимости от того, чем образованы резонаторы: а) линиями разомкнутой цепи с полуволновым интервалом и б) линиями короткого замыкания с четвертьволновым интервалом, поэтому при одинаковой топологии физический размер фильтра может сильно зависеть от выбора подложки.

Высококачественные материалы с высокой диэлектрической проницаемостью имеют меньший размер по сравнению с печатной платой. При правильном выборе топологии увеличение до 20 раз при использовании материала CG, до 10 раз при использовании CF и до 3 раз при использовании PG по сравнению с обычной печатной платой.