1、介质陶瓷高频滤波器基础培训资料1. 滤波器的种类1-1. 根据性能分类1-2. 根据通带分类1-3. 根据结构分类2. 介质陶瓷滤波器的定义3. 介质陶瓷及滤波器的主要特性3-1. 介质陶瓷的主要特性3-2. 介质陶瓷滤波器的主要特性4. 相关的介质陶瓷滤波器的区分4-1. 根据外观区分4-2. 根据不同的区分进行优缺点比较5. 产品开发 FLOW Chart6. 介质陶瓷滤波器的制造工程图7. 通信SYSTEM适用范围及适用范围的例图7-1. 通信SYSTEM适用范围7-2. 适用范围的例图(Block Diagram)8. Filter基本电路设计及Computer Simulation8
2、-1. 理论上电路设计8-2. Computer Simulation方法及举例9. 不同种类的滤波器特性比较及滤波器使用注意事项9-1. 其它产品与滤波器的特性比较9-2. 介质滤波器的使用注意事项1. 滤波器的种类: 1-1 根据性能分类A. Active 滤波器- 包括与op amp.一样的能动素子, 用RC interstage, LC interstage来实现根据op amp.的不同工作范围有使用限制.B.Passive 滤波器- Lumped elements: 用不同的部品实现产品方法.- Distributed elements: 利用Transmission line, C
3、omb-line, Inter-digital, Cavity等Field的概念实现滤波器.1-2 根据通带分类A. Low-pass 滤波器: 只通过低频率的滤波器. 将通带宽度和衰减宽度分开通宽度与衰减宽度接触点的频率称为段差频率.B.High-pass 滤波器: 只通过高频率的滤波器.C. Band-pass 滤波器: 将低频率与高频率组合后的滤波器,在通带内只通过相交那部分频率在multi-channel通信等方面需要的有效频率.D. Band-stop 滤波器: 与带通滤波器特性相反的滤波器.E. All-pass 滤波器(Delay Line): 在任意频率段不影响衰减全部通过,或
4、者是为了伴随若干的延时而设计的滤波器.- 1 -A. Low-Pass Filter10 H()- 1 -B. High Pass Filter10 H()C. Band-Pass FilterH()D. Band-Stop FilterH( )E. All-Pass Filter0 H()1.3 根据结构分类A.RLC FilterLow-frequency(利用数百KHz500MHz), 主要使用IF频率.我们称为LC FILTER或是IF FILTER.B.DSP Filter利用Digital filter通信,如能在低频使用半导体就可能chip化.目前使用的一部分特性非常灵敏.C.A
5、ctive Filter使用在数百KHZ 数MHZ的频率中 , 利用OP-Amp L, C等素子D.Cavity Filter利用Wave-guard , 机械加工和连接( 0.05mm程度的允许误差)基站及转发器用E.CeramicFilter损耗减小尺寸缩小是目前RF频率段最大的长处.F.SuperconductorFilter高介电常数 , 用于卫星发收等目前受价格及尺寸限制使用也受到限制.G. CrystalFilter损耗减小可做特性Sharp但是在高频率段使用有难度.H.SAW Filter用音波来代替电波缩小尺寸损耗增大功率变小,缺点是开发费昂贵. 微型Pattern技术目前正在
6、向前发展如果以后发展一直良好作为移动通信用部品它的作用应该会扩大.2. 介质陶瓷滤波器的定义:利用固有介质陶瓷成分的谐振素子使得高频频率成分选择变得容易作为module化的部品RF和 Mono-Block Filter是无绳电话,手机,转发器选择所需收发信号的核心部品 .通常介质滤波器用分布定数来使用介质谐振器,具有高介电常数和低损耗,高温安全性,耐振动性,冲击性,微型化,量产化,低成本等优点.作为移动通信系统及手机的RF,IF段使用的滤波器以天线共用器(Duplexer)为首在system的RF信号处理上正广范围的使用.3. 介质陶瓷及滤波器的主要特性3-1. 介质陶瓷的主要特性A. 介电常
7、数 (Permittivity-Er) : 作为非导体的重要电性能DC或是AC,就是与交流电波的特性有直接关系. 相同的电压或是流动的电流形成电磁的时候体现散开的+- moment敏感反应的程度.用E=Eo.Er来体现,介电常数没有实际意义一般用E=Er表示.跟电波的波长()有密切关系对频率有很大影响并且左右着产品的尺寸和形态.高频电路设计时一个很重要的因素.没有单位.目前移动通信部品上使用的介电常数一般在4110之间.l Cfg o r 4 4(C=300,000KM/sec , Fo=MHz)B. 损耗系数 (Q factor): 频率loss部分. 谐振频率的波形越灵敏品质越好 . 用1
8、/tan表示的话,与实际信号的noise,通话距离有密切关系.特性值表示为体现纯材料的物性值Q.F与根据不同的谐振mode体现的3种值unloadQ, load Q ,Q.fo.Qu=(Fo/B.W)/1-10(-iL/20)C. 温度系数 (Tf): 介质陶瓷中重要特性之一. 为了体现不同的温度下的频率及其它特性的敏感性, 为了能在热带地区或是西伯利亚地区特性一致温度系数的特性必须稳定.用下面的公式表示单位是ppm/.Tf = F/Fo*1/T3-2. 介质陶瓷滤波器的主要特性A. 通带频率 ( PASS BAND WIDTH )在Pass-band中 Upper frequency - L
9、ower frequencyB. 插入损耗 ( INSERTION LOSS )在Source和Load之间插入电路后产生的损耗产生在device内的conductor接收电源的地方.Insertion loss = Dissipation loss + Reflection lossQ BWf gI Lo inn 4 343 1. .C. 3dB BandwidthCenter Freq.为0dB插损基准线在中心频率-3dB处的通带宽度. Filter中 3dB重要的理由:dB=10log输出电压/输入电压=?用dB实现, 假设输入电压100V输出电压50V的话那么通过一些部品后输出电压就减
10、少一半.这个用dB计算的话大约是-3dBD. 通带衰减特性 ( ATTENUATION )低边频率(Low Cutoff Frequency) 高边频率(High Cutoff Frequency)E. 带内波动 ( PASS BAND RIPPLE)在一定通带宽度内的最大Loss-最小Loss (dB)F. 反射损耗 ( V S W R ) = Return Loss电子波最大值与最小值之间的差异的比率和反射损耗的关系Re logturnLoss VSWRVSWR 20 11G. 输入输出阻抗 ( IN/OUT IMPEDANCE)一个电路,在系统中按标准使用阻抗值. 在RF中主要使用50欧
11、姆和75欧姆.就是满足电源的传输性和曲线特性的中间值. 一般没有特殊规定特性阻抗就是50欧姆.所说的阻抗交流信号的电压和电流的比就是E field和H field的比.在低频率段所说的电阻的概念一般解释为负荷(load), 在高频率段因为L和C相同储藏性素子要素作用增大所以通过电阻后负荷变大. 实际上这些要依赖很多经验所以要多实践.Z= R+jL+(1/jC) Zo=(R+jL)/(G+jC)LRPIL log10H. HARMONIC特性 ( SUPRIOUS / HARMONIC )I. 温度特性 ( OPERRATION TEMPERATURE )J. 尺寸 ( DIMENSIONS )
12、K. 输入输出形态 (N-, SMA-, SMD-TYPE)L. ISOLATIONIsolation作为一般隔离信号时使用的概念.举例像duplexr的情况,一个素子中因为发送信号频率与接收信号频率同时工作所以要将两个信号最大限度的隔离以及分开. 像这样的情况好几种信号在同一系统种,同时利用一个电路的时候各信号距离间分开的程度通常称为isolation.Isolation这个词使用范围很广,不管怎么样根据不同的使用情况,用信号分离图就能理解.信号分离图就是体现相互之间到底有多少干扰的尺度图.M. GDT(Group Delay Time)体现Filte特性指标之一,信号从Filter内部通过
13、时产生的time delay(群延时的意思).这个就是在时间轴 sine波形稍微歪扭 就像段差一样可以看得见. 这个很大程度上参照Filter的尺寸或是结构,这样发生的群延时不仅是单纯的信号反应慢的问题也可能是信号本身的曲线问题(distortion).Group delay如果较大通过通带的每个频率段差再变大, 结果可以用信号的曲线来体现.那么在Filter中将Group delay做的小很重要.d (rad) (deg)G.D = td = -(s) = - = -dw w 360f(Hz)N. RF HANDLING POWER.4. 相关的介质陶瓷滤波器的外观区分4-1. 根据外观区分
14、 - MP - MC - MF - AF PCB? - MDAD4-2. 根据外观区分比较产品的长短处 A: 容易,好 B: 一般 C: 难度大,不好区分 开发所需时间 微型化 插损 ATT特性实现 生产工程 M/C费用 Set MatchingAF A B A B A C AAD A B A B A C AMF B A A A B A BMC B A A A B A BMD C A A A B A BMP C B A A B B AO.KORDERN.GN.GO.KN.GN.G O.KO.KO.KO.KN.GN.G5. R&D 新产品开发工作 FLOW CHARTSample委托接受Samp
15、le委托记录1次设计 (构想)2次设计(Simulation)PRE-SPEC 提供购买材料,入库Sample 制造P-P生产提供 新产品 提供Spec产品 提供Sample产品 要求日,数量 接受管理台帐 确认接受日,交货日 做出大致Spec 做出大致Dim. 设计资料保管(PC) Spec,Dim作成 提供给客户,资料保管(PC)各种图纸作成 新产品的情况-准备成型模具,CASE,PIN模具,PCB,Al2O3基板,印刷夹具sand-spray夹具,测试夹具等 老产品情况-不需要 图纸资料保管(PC) 委托书作成(附图纸) 收入检查,文件管理重要开发资料作成,管理Sample 提供 发送确
16、认Spec,Dim(包括成绩书) 决裁承认后发送资料保管(PC,所有文件)提供承认书 客户要求时 制造生产模具,夹具 附信赖性试验报告 决裁承认后发送资料保管(PC,所有文件)提供生产文件 制造式样书 作业指导书 发送各种材料,模具,夹具图纸 决裁承认后资料保管(PC,文件)生产指导,培训生产及出货 重要工程作业者培训6. 介质陶瓷滤波器的制造工程图- MF,MC,MD,MP type - AF,AD type-连体式产品1 . 原料 1 . 原料2 . 成型 2 . 成型3 . 烧结 3 . 烧结4.两面研磨 4.两面研磨5.1次水磨 5.1次水磨6.1次长度研磨6. 金属化8.长度研磨 7
17、. 长度研磨9.Sand Spray(I/O) 8. 挑选频率7.金属化11.2次水磨10.Top pattern 印刷12.外观检查18.调试20.检查21.Marking9. 2次水磨10.Pin插入及切断11.氧化铝基板印刷12. Chip组装13. 氧化铝基板组装14. 谐振器组装16. Case组装22.包装 18. 1次超声波清洗19. 检查20. 2次超声波清洗21. 检查22. Marking19.3次水磨分立式产品13.Case组装15.PCB组装17.1次超声波清洗发送B-Lot表B-Lot表结束, DATA整理, 确认谢振器特性 尺寸DATA作成发送C-Lot表 14.焊
18、锡外观检查(1) 16.焊锡外观检查(2) 15.焊锡外观检查(1)17.焊锡外观检查(2)尺寸DATA作成标准Sample确认标准Sample确认出货成绩书作成原料Lot表特性DATA尺寸DATA作成7. 通信SYSTEM适用范围7-1. 适用通信SYSTEM- 用于与下面一样system的手机,基站,转发器等.A. CD M A(Code Division MultipleAccess) : cord分割方式,从美国开始, 容量是analogo的20倍, AMPS的 810倍, GSM(TDMA)方式的 45倍.830/875,836/881 MHzB. G S M(GlobalSyste
19、m forMobile/Group Special Mobile) : 采用数字方式的TDMA方式,临近的欧洲各国的system相互用不同的方式很不方便为了改善系统1987年欧洲17个国家采用相同的规格. 用相同的系统提高upband使用DCS-1800.利用dual band电路图.中国90%左右采用.902/947.897/942 MHzC. P H S(Personal Handy-phone System):国内专门服务于步行者的city phone和类似于日本的个人移动通信TDMA 方式, 1907 MHzD. P CS(Personal CommunicationSystem) :
20、 使用数字CDMA方式,初期没有多大的发展后来发现和800Mhz移动电话没有太大的差异,只是频率较高.直线性很好但是穿越性不是很好.这个差异很小在韩国已经没有特别意义. 声音信号化技术PCS高5kbps音质提高了63%左右.最近随着加入者的增多实际上区分音质很难.高速行驶,DATA服务也差不多只是名字不一样所以可以看到移动通信市场的竞争.1755/1845,1765/1855,1775/1865 MHzE. T R S (Trunked Radio System) : 流通运输业,工地,警察通话时间被限制在一个频率中特定的范围的很多人可以同时通话,无线电中结合了移动电话的技术. 比无线电的安全
21、性更好.813/858MHzF. D E C T , I S M: 两种system基本与家庭用的cordless phone方式相近.915,1890MHzG. W L L(WirelessLocal Loop) : 在本地区设置交换器构筑手机无线网络.它的优点是网络构筑迅速,受地形及环境影响小,经济方面线路维持补修费用低廉,增建,变更容易. 2315/2385MHzH.I M T-2000(International Mobile Telecommunication forthe 2000):W-CDMA现在各国正在开发统一的多样的移动电话系统不管走到世界的那个地方都可以使用相同的手机.初
22、期称为FPLMTS,利用W-CDMA方式.将来应该是移动电话system的主流.发展GSM同时也有TDMA方式的UMTS(Universal Mobile Telecommunication System).1950/2140MHzI.BLUETOOTH: 各种电子产品间的通信没有电缆利用无线频率,快速接收发送数据的系统.利用hoping spectrun(FH-SS)方式.如数码相机,打印机等. 在无线网络间可以进行声音对话.向家用电子产品,轿车,所有的电子产品扩大,2005年会达到极点. 2450MHzJ.G P S(Global Positioning System) : 确认卫星位置的
23、系统,检测运动的物体方向及位置的系统,是从军事上开始的. 利用现在的人造卫星中的4颗就可以准确的确认自己的位置.利用到达距离时间,卫星轨道的半径计算.iGPS手机已开发完毕.包括Navigation System. 1575MHz, 1616/2492MHzK.P D A(Personal Digital Assistant): 笔记本, PNS内部设置的dual band的ANT.必须开发.圆形畸形/扇形畸形的问题可视化.L. OTHERSWireless LAN (3.5GHz,5.8GHz等)Wireless CCTVRadio TransceiversMMDS (Multi-Point
24、 Multi-Channel Distribution System )各种军用无线通信SYSTEM等.7-2. 适用范围例图 - BlockDiagramA. 例图 1 LNA BPF MixerDown ConvertingBPF(IF) LNAto Dem odulationPLLBPFPA ModulationRxTx Duplexer VCO PLL ModulePrescalerB. 例图 28. Filter 基本电路图设计及电脑Simulation8-1. 理论上电路设计A, 了解谐振器 :串联谐振 (Series Resonance)并联谐振 (Palallel Resona
25、nce) L C 10 C L 10DR的 Impedance计算 /4 Coaxial DR Zo DoDir 60 ln =Do=DR Di=DR (mm) /4 RF DR Zo DoDir 60 1079 ln .谐振器长度计算l Cfg o r 4 4 mm (C=300,000KM/sec , Fo=MHz)单位长度计算Loss, A attenuation FCQ r o 8 68. B. Design of Band-Pass Filter :Q值计算公式Q F baa b l baO C 41 1 2 ln ln孔数计算公式n FB W FF FFa tt d Bo a tt
26、o oa tt c o s hc o s h ( )1 1 01 1 0 1C.EXAMPLE :Fo=850MHz , BW=20 , Ripple=0.01dB , IL=2.0, 25dB at890MHzER=88 ,Do=3.0 , Di=1.0, Q=350 计算孔数 , 4 Polen FB W FF FFa tt d Bo a tto oa tt c o s hc o s h ( )1 1 01 1 0 1 = 3.23 g值go=1, g1=0.7128, g2=1.2, g3=1.3212, g4=0.6476, g5=1.1007求各素子的定数值,dr的Impedance
27、= Zo D oD ir 5 9 9 5 2 1 0 7 8 7. ln . =7.505 Y0 =0.133J G bg gAo0 1 1 0 0 2 0 0 2 3 5 0 1 0 4 4 5 81 0 7 1 2 8 . . =8.2992X10-3G R Admi ceA O 1 002( tan ) . , BWfo 20 850 00235/ . ,b Y 04 =0.104458, 0 02 f =5.34X109C J JGo A01 01 01 2 9 21 00082992534 10 1 00082992002 . . =1.7082X10-12C JO12 12 =0.
28、4597X10-12 , C br 0 =19.559X10-12J l g g b g g b g g g go r o o12 1 2 1 2 1 2 3 1 21 1 1 1 2454763 10 1 . =2.6542X10-3l br 10 =1.7927X10-9J l g go r23 2 31 =1.94955X10-3,J l g go r34 3 41 =2.6538X10-3J l g go r45 4 51 =2.9075X10-3C J O23 23 =0.36X10-12 ,C JO34 34 =0.497X10-12,C JO45 45 =0.544X10-12C
29、 C CGe O A0 1 0 1 0 1 21 =1.484X10-12C C CGe O B45 45 45 21 =0.536X10-12C10=Cr-C01e-C12=19.559X10-12-1.484X10-12-0.4597X10-12=17.6153X10-12C20=Cr-C12-C23=19.559X10-12-0.4597X10-12-0.36X10-12=18.7393X10-12C30=Cr-C23-C34=19.559X10-12-0.36X10-12-0.497X10-12=18.702X10-12C40=Cr-C34-C45e=19.559X10-12-0.49
30、7X10-12-0.536X10-12=18.526X10-12L=lr=1.7927X10-9=1.7927nHC12=C01=1.7082X10-12 , C23=C12=0.4597X10-12, C34=C23=0.36X10-12C45=C34=0.497X10-12, C56=C45=0.544X10-12F l C C Cr1 10 9 10 4 1012 12 17927 10 126603 10 . . =895.62MHzF l Cr2 2012 =868.34MHz,F l Cr3 3012 =869.21MHz,F l Cr4 4012 =873.33MHz8-2. S
31、oftware (自身开发tool & MWO tool) SimulationsFo=850MHz , BW=20 ,Ripple=0.01dB , IL=2.0 , 25dB at890MHzER=88, Do=3.0, Di=1.0 , Q=350A. 1次 Pre-simulation 构思所需的谢振器数量及大致的电路图B.2次 Simulation (MWO )- Att及插损值设定后得出比较准确的值- Graph特性及各定数值可调整.CAPC=ID=2.097 pFC1 12 34COAXRHO=TAND=ER=L=Do=Di=ID=0 0.0028 89 8.86 mm3 mm1
32、 mmCX1 CAPC=ID=0.6481 pFC2 12 34COAXRHO=TAND=ER=L=Do=Di=ID=0 0.0028 89 9.105 mm3 mm1 mmCX2 CAPC=ID=1.176 pFC4 12 34COAXRHO=TAND=ER=L=Do=Di=ID=0 0.0028 89 8.991 mm3 mm1 mmCX4 CAPC=ID=7.749 pFC5 12 34COAXRHO=TAND=ER=L=Do=Di=ID=0 0.0028 89 9.016 mm3 mm1 mmCX3 CAPC=ID=0.4816 pFC3 PORTZ=P=50 Ohm1 PORTZ=P
33、=50 Ohm2 700 750 800 850 900 950 1000Frequency (MHz)AF34R850S20A-80-70-60-50-40-30-20-100 890 MHz -27.002 dB850 MHz -24.903 dB840 MHz -1.748 dB 860 MHz -1.9812 dB850 MHz -1.4565 dBDB(|S1,1|)AF34R850S20ADB(|S2,1|)AF34R850S20A9. Filter基本电路图设计及电脑Simulation9-1. 其它产品与Filter的特性比较High freq. MMICBPF, DPXLPF
34、, BPFSystemDPX超高频率400MHz其它 HighMediumMediumHighMediumLowMediumPrice SmallSmallSmallLargeExcellentSmallMediumDimension/weight ExcellentExcellentExcellentExcellentExcellentExcellentPoorTemperature MediumPoorPoorMediumMediumPoorMediumPowerTolerance MediumMediumBroadNarrowMediumBroadMediumBandwidthLargeLargeLargeSmallMediumLargeMediumInsertionloss FBARSAWChipDielectricTE01Dielectric TEMStrip lineHelical
