基于PCB板的高性能大功率濾波器設計

　　摘要 介紹了一種減小大功率濾波器的插入損耗和提高濾波器帶外抑制的實現技術，通過合理選擇濾波器的結構和元器件，以及印制板的板材，并在濾波器設計過程中充分考慮印制板布線對不同頻率的影響，盡量采用均勻傳輸線進行設計，理論設計與工程實踐相結合，使高性能大功率濾波器的設計更容易。

　　隨著現代高科技的發展，用EDA軟件進行濾波器仿真設計變得簡單。對于小信號濾波器而言，EDA軟件仿真結果和實際測試值較為接近，可采用EDA軟件指導濾波器設計。但在實際工作中，會出現設計出的濾波器性能指標與EDA仿真出的濾波器理論值相差甚遠，從而導致設計出的濾波器無法滿足設計需求，這種現象在大功率濾波器設計過程中較為普遍。目前針對濾波器理論設計的教程有多種，但很難找到小功率和大功率濾波器區別設計的文獻。本文結合工程實踐，分析了可能影響大功率濾波器性能的因素，設計大功率濾波器時充分考慮這些因素，便可設計出高性能的大功率濾波器。

　　1 設計思路

　　對于濾波器而言，其主要指標包括插入損耗、帶內波動和帶外抑制等，大功率濾波器相對于小功濾波器而言，其設計的關鍵點主要有：選擇良好的濾波器元器件和濾波器第一階電路的結構，合理選擇印制板板材，并對印制板走線采用均勻傳輸線設計。

　　1.1 濾波器元器件的選擇

　　濾波器因其固有的插入損耗，會導致一部分能量轉換為熱量。對于小信號濾波器設計而言，因信號功率較小，損耗產生的熱量也小，因此，不會導致嚴重影響，故可忽略不計。但對大功率濾波器而言，濾波器元件的選擇是關鍵，即使濾波器只有損耗的零點幾dB，也會產生大量的熱量，導致濾波器器件溫度上升、性能下降、甚至嚴重損壞。因此要合理選擇濾波器器件的材質、損耗和功率容量等，避免器件參數選擇不當產生問題。

　　1.2 濾波器第一階電路的選擇

　　從濾波器對無用信號作用的效果可分為反射式濾波器和吸收式濾波器。在濾波器的仿真設計中，EDA軟件通常會給出反射式濾波器，即濾波器對于無用信號的濾除方式是全部反射，這種濾波器設計對于小信號而言，因信號較小，無用信號即使經過多次反射然后被電路吸收，也不會對電路產生過大影響，但對于大功率信號而言，該種被濾波器反射的信號會被反射到源端，引起源端信號的失真，且此種多次反射信號，也會造成對濾波器的阻抗失配，進而導致濾波器指標下降。該問題是導致濾波器理論仿真值與實際偏差的主要原因之一。

　　與反射式濾波器相對應的還有一種吸收式濾波器。該濾波器就是對無用信號的濾除主要以吸收為主。吸收式濾波器避免了無用信號在信號回路中的多次反射，這種特點決定了在大功率濾波器設計中吸收式濾波器要比反射式濾波器效果更好。而吸收式濾波器的吸收功能主要體現在濾波器的第一階，典型的應用有在濾波器的輸入和輸出端放置一個m=0.6的推演式濾波器電路，相應的濾波器與特性阻抗Z0的匹配性最佳。也可參考雙工器的相關設計方法，在濾波器的輸入輸出端增加一個電路，吸收無用信號，并傳輸有用信號。

　　1.3 印制板板材的選擇

　　本文介紹的濾波器主要基于是PCB板所設計的。根據傳輸線理論，射頻信號在印制板電路中傳輸時，印制板板材的介電常數與射頻信號的損耗成正比，若想濾波器設計的損耗小，一般需選擇介電常數較小的高頻板材。典型高頻板材有聚四氟乙烯板材，常用的環氧玻璃布層壓板(FR-4)，其介電常數通常均>4，而對于聚四氟乙烯板材的介電常數一般在2～3之間。

　　1.4 對印制板布線采用均勻傳輸線設計

　　在實際工作中，PCB走線對濾波器的影響也是常被忽略的一個問題，這就導致了濾波器理論仿真值與實際所偏差的重要原因。對于小信號而言，因功率小，即使濾波器損耗大也不會產生過多的熱量，且容易通過其他方面對損耗進行補充。但對于大功率濾波器而言，信號功率較大，且多處于信號的末級，一旦插入損耗大或帶內波動大，不僅會導致器件大量發熱，且難以補償。假如印制板布線采用均勻傳輸線，可將濾波器內部的阻抗不匹配減至最小。盡可能減小印制板走線對不同頻率的影響，其是減小濾波器損耗及帶內波動的有效手段。

　　在大功率濾波器設計時，應注意濾波器元器件的選擇，避免器件功率容量不足導致的失真;合理選擇濾波器的結構，在輸入端使用吸收式濾波器結構，避免無用信號多次反射對電路阻抗的影響;合理選擇印制板的板材;在濾波器的設計過程中，對濾波器的印制板布線采用均勻傳輸線進行設計。通過以上方式，便可設計出其較為理想的大功率濾波器。

　　2 設計案例

　　設計一個9階30～88 MHz大功率帶通濾波器，其指標要求為：頻段范圍30～88 MHz;承受功率為100 W;在30～88 MHz頻段內插入損耗<0.7 dB;帶內波動<0.3 dB;帶外抑制>25 dB。

　　根據要求，理論仿真設計了一個9階30～88 MHz大功率帶通濾波器，該濾波器的ADS仿真曲線如圖1所示。從仿真結果可看出，所設計的濾波器能夠滿足設計要求。

　　根據ADS仿真電路完成濾波器設計后，實際測試濾波器的插入損耗和帶內波動的等效曲線如圖2所示。

　　同時，選擇了幾個較為關注的頻點，對濾波器進行帶外抑制測試，當輸入平均功率為100 W時，濾波器帶外抑制測試數據如表1所示。

　　由圖1和圖2比較可看出，實際測試出的大功率濾波器插入損耗值在濾波器的低端30 MHz時，損耗約為0.4 dB;在高段88 MHz時損耗達到約1.27 dB，帶內波動達到約0.8 dB;通過表1的濾波器帶外抑制測試結果可知，帶外抑制理論約25 dB，但通過輸入100 W功率的實際信號測試后，發現帶外抑制僅為16 dB，實際設計的濾波器測試值與理論仿真值差距較大，無法滿足設計要求。