【導讀】射頻(RF)濾波器設計持續面臨電氣、機械和環境等方面的挑戰。例如系統必須符合規定的外觀尺寸大小、環境溫度會左右濾波器的頻率響應飄移、機殼材料也會影響濾波器的性能表現。
射頻(RF)濾波器設計持續面臨電氣、機械和環境等方面的挑戰。例如系統必須符合規定的外觀尺寸大小、環境溫度會左右濾波器的頻率響應飄移、機殼材料也會影響濾波器的性能表現。設計人員必須從一開始就對上述因素做出取舍，才能設計出符合需求的解決方案。
在設計濾波器以滿足已知要求的過程中，有許多既有的挑戰。這些要求主要是在電氣、機械和環境方面。從系統級設計所提出的約束，例如機械尺寸之類，通常都具有極高的重要性。本文將會討論濾波器設計過程中在射頻(RF)方面的重大挑戰。
首先，本文將以一款現有產品來展示不同溫度下頻率響應的漂移。這種頻率響應的漂移非常重要，在設計流程開始前就要牢牢記住，因為反應會根據濾波器工作環境的變化而改變。
接著，將會介紹被動互調(PIM)測量的設置，在滿足濾波器產品要求的過程中，它可能是最具挑戰性的規范，主要原因包括缺乏精確的模擬工具以及測量不準確。為清晰說明測試的過程，文中也提供測試的方塊圖。文中也會提出此次測量中的不確定性，并討論一些影響因素。
最后，則探討插入損耗和窄頻帶隙抑制之間的權衡，也提供一些濾波器合成的范例，目的是要說明各種要求之間的權衡。然而，在顧此失彼的限制下，很可能 無法滿足全部要求，尤其是在有限的空間內。因此，濾波器的設計人員必須要求客戶厘清不同要求之間的優先順序。
溫度對濾波器性能產生的影響
這里將闡述溫度對濾波器帶外抑制的效應，因此采用Molex旗下公司SDP Telecom所生產的COM-2J1F1-1Y2-000雙工器(圖1)，它是一臺雙頻帶結合器(頻帶1=1710～1780MHz或2110M～2180MHz，頻帶2=1850～1995MHz)。
圖1、COM-2J1F1-1Y2-000雙工器
由于本單元各頻帶之間的隔離性極高(> 50dB)，所以可將頻帶1視為雙頻帶濾波器，而將頻帶2視為簡單的濾波器。由于雙頻帶濾波器超出本文所討論的范圍，因此將重點討論頻帶2。附帶一提的是，此一雙工器中所有諧振器皆使用鋁材料。
圖2說明了該頻帶在三種溫度下的測量結果：-40℃(低溫)、25℃(環境溫度)和+65℃(高溫)。從圖中可以看出，溫度變化對濾波器的抑制具有一定影響。對于已知的衰減值(圖2的例子約在-30dB)，可以看出從低溫到環境溫度的漂移約為2.9MHz，從環境溫度到高溫的漂移約為2.3MHz。
圖2、三種溫度下雙工器頻帶2的傳輸性能及其部分放大圖
一般而言，對于已知材料和濾波器的中心頻率，可用公式1來預測頻率漂移：
Δf=δ ΔT f0 (1)............................公式1
其中，δ為10-6/℃下的熱膨脹系數，ΔT為溫度變化，而f0為濾波器的中心頻率。表1列出一些常用材料的δ值。
將公式1應用到某些例子，考慮到δ=23 10-6/℃(鋁)和f0=1922MHz。在低溫的情況下，ΔT=65℃，因此Δf≈2.874MHz，而在高溫的情況下，ΔT=40℃，因此Δf≈1.768MHz。
可以發現測量結果與公式1計算結果一致。一些誤差可歸因于諧振器的形狀和內插近似值(Interpolation Approximation)。因此，公式1可用于預測溫度漂移情況下的頻率變化。CTE δ的值不需要過高，從而避免在衰減性能上出現重大變化，對于較廣的溫度范圍尤其是如此。
重要的是，在選擇諧振器材料時需要考慮一些重要因素，主要包括成本、重量、制造方法(沖壓、壓鑄等等)，并且要鍍銀以防止發生PIM。圖3說明了濾波器中三種常用材料之間的折衷。
圖3、不同諧振器材料之間的權衡
鋁的成本通常較低而且重量較輕，然而熱膨脹系數(CTE)相對較高，因此在規范要求嚴格的情況下可能并不適合。鋼材的成本效益較佳，根據具體成分，CTE較低，從而讓它成為窄頻帶應用的良好選擇。但是鋼材是一種鐵磁材料(Ferromagnetic Material)，需要鍍銀處理，這將會提高總成本。殷鋼基本上是鎳和鐵的合金，熱穩定性極高，但成本也非常高。
對采用不同材料諧振器的低成本解決方案做出溫度補償(例如圖3所示的鋼材和鋁材)是一種常用的方法。這種方法可在最終產品的良好性能與可承受成本之間找到最佳平衡點。
PIM測試設置和考慮事項
這里將介紹一般性的PIM測試設置，并概述可對PIM產生影響的各種因素。圖4所提出的方塊圖是一般的PIM設置，可應用于本文的待測裝置(DUT)。左上方有兩臺訊號產生器，其后是兩臺相同的功率放大器，可提供極高增益(通常為50dB)，在功率放大器之后的是兩臺隔離器，它們基本上是用來保護功率放大器，以避免受到可能產生的高功率反射所影響。然后，3dB的混合設備將輸入訊號分配到兩條相同的路徑上。
圖4、通用PIM測試設置接收器通道濾波器的方塊圖
這里采用低PIM的50歐姆(Ω)端接來終止一個輸出，并在第二個輸出處混合訊號產生器所發出的兩種頻率(f1+f2)。使用低PIM的定向耦合器(通常為30dB的耦合)來測量待測裝置輸入中的功率，并且據此校準功率計來讀取正確的值。
一般比較偏愛以這種設置來精確地修正正確的輸入功率，其誤差僅等于耦合器的插入損耗(約為0.2dB)。因此，將兩臺低PIM雙工器和待測裝置串聯起來。雙工器在發射(Tx)和接收(Rx)埠之間也有著高度的隔離性。所產生的任何第三個IMD訊號將轉至Rx埠，并以頻譜分析儀進行測量。
PIM測試可以進行兩種測量。在逆向PIM(Reverse PIM)中，應將濾波器上的輸出埠端接到高功率、低PIM的50歐姆負載。另一方面，如圖4所示，前向PIM(Forward PIM)采用第二臺雙工器，其Tx通道端接到高功率、低PIM的50歐姆負載。第三個IMD訊號將直接轉至Rx通道，再以頻譜分析儀進行測量。
根據所處理的階段，在操作低PIM濾波器時有許多因素要考慮。首先，在設計和工程的階段中，一定要減少粗糙度;金屬之間的接觸要盡可能地做到平滑，以避免電弧放電。為了確保可實現后一種特性，需要良好的鍍銀技術來降低表面電阻。此外，建議在訊號路徑上采用尖銳的邊緣和避免尖刺，如去角技術(Chamfering)將有助于實現此一目的。間隙不應太小，否則會產生電弧(一般不小于1毫米)。當然，由于鐵磁材料是一種PIM的重要來源，因此嚴格要求進行鍍銀。
第二，在裝配階段，元件在機械加工完成后要清理掉任何毛刺以避免劃傷(即使部分劃傷)元件的表面。焊接操作應盡可能地平順、均勻(例如以均質的方式)，不得使元件承受壓力(彎曲)。理想的方法是使用凸緣型(Flange Type)連接器。
最后，對于測試過程，首先應確保設置本身不會產生PIM，且輸入功率值應該是正確的。連接器應該要清理干凈，將其扭矩調節至約23～24牛頓米(N.m.)。連接位置應當對中，調諧螺釘和蓋子應經過鍍銀處理，并用防松螺帽(Lock Nut)上緊。
插入損耗/抑制之間的權衡
對于高功率濾波器模組和無線站點解決方案來說，空腔濾波器(Cavity Filter)是業界普遍接受的方式。對只有有限空間可以設計濾波器的空腔諧振器而言，其品質因數也有限，因此要滿足所需的插入損耗，也是一種挑戰。與接收器通道濾波器相比，插入損耗的要求對于發射器通道濾波器來說更加重要，這是因為插入損耗越高，越需要更大的功率放大器、更大的直流電源，還要使用無線電的散熱器。
抑制要求較高的情況也非常普遍。為了抑制住功率放大器處的多余帶外功率，此一要求就顯得很重要，否則將提高接收器通道的雜訊位準。利用交叉耦合，以及提高濾波器的階數和諧振器的數量，就可以滿足更高的抑制要求。
解決這問題看似簡單，然而濾波器的設計人員必須在滿足各種不同要求之間做出取舍。降低制造成本的要求也會帶來約束，例如各種不同的機械限制、尺寸，以及制造上的偏好。這會在設計過程中產生許多折衷妥協，要根據客戶的優先順序來做出選擇。
圖5和圖6中的例子是用來說明為TX頻帶在390MHz至395MHz下的雙工器設計TX濾波器。具體的要求包括從380MHz到385MHz的RX頻帶下達到-85dB的抑制，以及使TX濾波器的插入損耗保持在1.7dB以下。此外還有機械上的限制，例如外部尺寸和連接器的位置等。
圖5、以六極和-85dB抑制、2dB插入損耗所進行的濾波器設計
圖6、以五極和-75dB抑制、1.5dB插入損耗所進行的濾波器設計
為了改善插入損耗，使用品質因數高于2,000的諧振器設計并不可行，這是因為存在著機械尺寸上的限制，例如整體結構的高度，以及制造上的考慮和公差等。
由于機械上的限制及埠的位置已經預先確定，所以難以利用更多交叉耦合來達成更多的抑制實施拓撲結構。因此，可使用更多的諧振器來滿足對抑制的要求，并有較高的插入損耗，或者可以在RX頻帶下滿足插入損耗的要求，同時減輕抑制。
在這些范例中，對于濾波器的設計，應在兩種選項之間做出選擇，那就是有較佳的插入損耗及較少的抑制，還是較佳的抑制與較差的插入損耗。這種選擇只能根據客戶的優先順序來進行。關于這一點，可以同時向客戶提供兩種設計，并說明其中的優缺點，讓他們做出選擇，這樣便可以在出現一定沖突的情況下滿足其中更重要的要求。
