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发射机输出放大器产生的主要频率是基波,但功放是强非线性器件,会同时产生谐波,也就是基波整数倍的频率成分。这些谐波如果不处理,会通过天线辐射出去,干扰其他频段的设备,甚至导致设备不符合电磁兼容要求。射频滤波器就是用来让基波通过、把谐波和带外成分抑制下去的。
滤波器的作用是按频率选择性地通过信号。低通滤波器让基波通过、把高次谐波滤掉,是发射链路抑制谐波的主要手段。带通滤波器则在规定频带内通过、对带外信号进行抑制,既可用于接收链路选频,也可用于发射链路限定带宽。滤波器的关键指标包括插入损耗、带外抑制、带内平坦度和电压驻波比。滤波器的实现方式有LC 集总、微带、腔体、波导等,频率越高,越倾向采用分布参数结构和腔体结构。
对谐波抑制来说,滤波器的带外抑制能力决定效果。性能良好的低通滤波器在谐波频点上可提供几十dB 的抑制,能把功放的谐波压到合格水平以下。但滤波器的性能也有代价:级数越多、抑制越深,插入损耗和体积通常也越大。因此要在抑制深度、插入损耗和体积之间进行平衡,通常在功放输出后配置一级到两级低通滤波器。滤波器的带外抑制和过渡带宽度也要匹配,过渡带太宽,离通带较近的杂散就难以有效抑制。
5 阶低通滤波器,SMA母头, DC~3GHz
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滤波器的位置也很讲究。功放输出端的滤波器要能承受大功率,插入损耗要尽可能小,因为这里的高频功率十分宝贵。接收链路的滤波器更看重选择性和带外抑制,同时也要控制插入损耗对接收灵敏度的影响。滤波器的温度稳定性也值得注意,介质材料的介电常数会随温度变化,可能引起中心频率漂移,室外设备应选用温漂较小的设计。
滤波器的类型选择要看频率和用途。LC滤波器适合较低频率、指标要求不高、成本敏感的应用;微带滤波器结构平面、易于集成,但Q 值较低、插入损耗较大,适合宽带、要求不高的场合;腔体滤波器Q 值高、插入损耗低、选择性好,适合窄带、高性能应用,但体积较大、成本较高;波导滤波器插入损耗更低、功率容量更高,适用于毫米波和高功率应用。滤波器的阶数决定过渡带陡峭程度和带外抑制深度,阶数越高抑制越好,但插入损耗也越大,实际设计要综合权衡。滤波器还有群时延特性,在通信系统中,通带边缘的群时延变化过大会引起信号失真,因此宽带通信的滤波器需要关注群时延平坦度。选择滤波器时,应将中心频率、带宽、插入损耗、带外抑制、功率容量、温度稳定性等指标一起列出并逐项核对,比只看一两个指标更稳妥。
除了谐波,滤波器还负责抑制镜像频率、带外杂散和干扰,是射频系统频率纯净度的重要保障。现代系统频段越来越密集,滤波器的作用越发重要。Pasternack滤波器产品较为成熟,可按中心频率、带宽和抑制指标进行选择。谐波得到有效抑制后,系统才不会产生多余的带外辐射,这是射频设计中需要重视的一环。
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