基于PCB板的高性能大功率滤波器设计

 摘要 介绍了一种减小大功率滤波器的插入损耗和提高滤波器带外抑制的实现技术，通过合理选择滤波器的结构和元器件，以及印制板的板材，并在滤波器设计过程中充分考虑印制板布线对不同频率的影响，尽量采用均匀传输线进行设计，理论设计与工程实践相结合，使高性能大功率滤波器的设计更容易。

随着现代高科技的发展，用EDA软件进行滤波器仿真设计变得简单。对于小信号滤波器而言，EDA软件仿真结果和实际测试值较为接近，可采用EDA软件指导滤波器设计。但在实际工作中，会出现设计出的滤波器性能指标与EDA仿真出的滤波器理论值相差甚远，从而导致设计出的滤波器无法满足设计需求，这种现象在大功率滤波器设计过程中较为普遍。目前针对滤波器理论设计的教程有多种，但很难找到小功率和大功率滤波器区别设计的文献。本文结合工程实践，分析了可能影响大功率滤波器性能的因素，设计大功率滤波器时充分考虑这些因素，便可设计出高性能的大功率滤波器。

1 设计思路

对于滤波器而言，其主要指标包括插入损耗、带内波动和带外抑制等，大功率滤波器相对于小功滤波器而言，其设计的关键点主要有：选择良好的滤波器元器件和滤波器第一阶电路的结构，合理选择印制板板材，并对印制板走线采用均匀传输线设计。

1.1 滤波器元器件的选择

滤波器因其固有的插入损耗，会导致一部分能量转换为热量。对于小信号滤波器设计而言，因信号功率较小，损耗产生的热量也小，因此，不会导致严重影响，故可忽略不计。但对大功率滤波器而言，滤波器元件的选择是关键，即使滤波器只有损耗的零点几dB，也会产生大量的热量，导致滤波器器件温度上升、性能下降、甚至严重损坏。因此要合理选择滤波器器件的材质、损耗和功率容量等，避免器件参数选择不当产生问题。

1.2 滤波器第一阶电路的选择

从滤波器对无用信号作用的效果可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。在滤波器的仿真设计中，EDA软件通常会给出反射式滤波器，即滤波器对于无用信号的滤除方式是全部反射，这种滤波器设计对于小信号而言，因信号较小，无用信号即使经过多次反射然后被电路吸收，也不会对电路产生过大影响，但对于大功率信号而言，该种被滤波器反射的信号会被反射到源端，引起源端信号的失真，且此种多次反射信号，也会造成对滤波器的阻抗失配，进而导致滤波器指标下降。该问题是导致滤波器理论仿真值与实际偏差的主要原因之一。

与反射式滤波器相对应的还有一种吸收式滤波器。该滤波器就是对无用信号的滤除主要以吸收为主。吸收式滤波器避免了无用信号在信号回路中的多次反射，这种特点决定了在大功率滤波器设计中吸收式滤波器要比反射式滤波器效果更好。而吸收式滤波器的吸收功能主要体现在滤波器的第一阶，典型的应用有在滤波器的输入和输出端放置一个m=0.6的推演式滤波器电路，相应的滤波器与特性阻抗Z0的匹配性最佳。也可参考双工器的相关设计方法，在滤波器的输入输出端增加一个电路，吸收无用信号，并传输有用信号。

1.3 印制板板材的选择

本文介绍的滤波器主要基于是PCB板所设计的。根据传输线理论，射频信号在印制板电路中传输时，印制板板材的介电常数与射频信号的损耗成正比，若想滤波器设计的损耗小，一般需选择介电常数较小的高频板材。典型高频板材有聚四氟乙烯板材，常用的环氧玻璃布层压板(FR-4)，其介电常数通常均>4，而对于聚四氟乙烯板材的介电常数一般在2～3之间。

1.4 对印制板布线采用均匀传输线设计

在实际工作中，PCB走线对滤波器的影响也是常被忽略的一个问题，这就导致了滤波器理论仿真值与实际所偏差的重要原因。对于小信号而言，因功率小，即使滤波器损耗大也不会产生过多的热量，且容易通过其他方面对损耗进行补充。但对于大功率滤波器而言，信号功率较大，且多处于信号的末级，一旦插入损耗大或带内波动大，不仅会导致器件大量发热，且难以补偿。假如印制板布线采用均匀传输线，可将滤波器内部的阻抗不匹配减至最小。尽可能减小印制板走线对不同频率的影响，其是减小滤波器损耗及带内波动的有效手段。

在大功率滤波器设计时，应注意滤波器元器件的选择，避免器件功率容量不足导致的失真;合理选择滤波器的结构，在输入端使用吸收式滤波器结构，避免无用信号多次反射对电路阻抗的影响;合理选择印制板的板材;在滤波器的设计过程中，对滤波器的印制板布线采用均匀传输线进行设计。通过以上方式，便可设计出其较为理想的大功率滤波器。

2 设计案例

设计一个9阶30～88 MHz大功率带通滤波器，其指标要求为：频段范围30～88 MHz;承受功率为100 W;在30～88 MHz频段内插入损耗<0.7 dB;带内波动<0.3 dB;带外抑制>25 dB。

根据要求，理论仿真设计了一个9阶30～88 MHz大功率带通滤波器，该滤波器的ADS仿真曲线如图1所示。从仿真结果可看出，所设计的滤波器能够满足设计要求。

根据ADS仿真电路完成滤波器设计后，实际测试滤波器的插入损耗和带内波动的等效曲线如图2所示。

同时，选择了几个较为关注的频点，对滤波器进行带外抑制测试，当输入平均功率为100 W时，滤波器带外抑制测试数据如表1所示。

由图1和图2比较可看出，实际测试出的大功率滤波器插入损耗值在滤波器的低端30 MHz时，损耗约为0.4 dB;在高段88 MHz时损耗达到约1.27 dB，带内波动达到约0.8 dB;通过表1的滤波器带外抑制测试结果可知，带外抑制理论约25 dB，但通过输入100 W功率的实际信号测试后，发现带外抑制仅为16 dB，实际设计的滤波器测试值与理论仿真值差距较大，无法满足设计要求。

通过对滤波器进行了仔细分析，并结合大功率滤波器的设计思路，对滤波器进行了重新设计，将滤波器的第一阶改进为吸收式滤波器;通过计算功率损耗所能产生的热量，重新选择了滤波器器件功率容量;对印制板板材进行了重新选型，选择了介电常数约有2.4的聚四氟乙烯板材，同时采用阻抗计算软件Polar对印制板采用均匀传输线设计。重新设计的滤波器原理仿真曲线如图3所示。设计的滤波器实测等效曲线如图4所示。

滤波器带外抑制测试数据如表2所示。

从图4和表2可看出，改进后的滤波器端30 MHz时损耗只有0.4 dB，高段88 MHz时损耗可达0.6 dB，带内波动约为0.2 dB;带外抑制，通过实际测试均优于25 dB，这与图3的理论仿真基本吻合，满足设计需求。

3 结束语

充分利用各种成熟滤波器技术优点，并结合工程实践中滤波器的设计要点，合理选择滤波器的元器件与印制板的板材，并在其设计过程中对滤波器的印制板布线采用均匀传输线进行设计，使高性能大功率滤波器的设计更加简便。