SAW 滤波器设计——从谐振器到滤波器

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本文源自射频学堂 作者Gergely Simo

今天我们继续分享一篇关于声波滤波器的文章《RF filter design – from resonators to filters》,文章作者是 Gergely Simon,最初发表在onscale.com的blog。【射频学堂】翻译整理,分享大家学习参阅。

滤波器

 

为什么我们需要滤波器?

随着移动设备之间数据传输和通信需求的增加,尤其是所需带宽的增加,越来越多的频段被用于移动数据(2G 到 5G)、WiFi 甚至简单的电话通话。这些需要彼此适当隔离,以避免串扰和不需要的噪声信号。为了实现这一点,使用了滤波器:它们只允许某些频率通过,并且根据这些频率的范围,可以分为低通、高通、带通和带阻。

 

我们想要达到什么目标?

为简单起见,在这篇博文中,我们将介绍带通滤波器:它们允许两个频率之间的大部分能量通过滤波器,同时阻止超出此范围的任何内容(见图 1)。真正的设备从来都不是完美的:插入损耗表示带内信号的不完美通过,而抑制则量化了带外通过的信号量。这些以分贝 (dB) 表示,插入损耗小于 -3 dB,抑制至少 30 dB 被认为是足够的滤波器行为。

波形

 

我们如何实现它?

在滤波器中,通常使用谐振器,其典型阻抗响应如图 2 所示。

阻抗响应

 

它们以各种拓扑级联,最终以尽可能高的选择性实现整体带通行为。在最简单的情况下,采用所谓的梯形拓扑,如图 3 所示。

拓扑级联

 

让我们详细看一下这个例子。请注意,串联谐振器(图 3 中的洋红色曲线)比并联谐振器(图 3 中的蓝色曲线)具有更高的频率响应,并且并联谐振器的并联谐振频率与串联谐振器的串联谐振频率对齐(品红色曲线相对于蓝色曲线向右移动)。

 

现在,如果我们考虑只有一个级的设置(图 3 顶部的一个 Zs 和一个 Zp),可以提出以下论点,想象这基本上是一个分压器:

 

  1. 带外(~2.1 GHz 左侧和~2.25 GHz 右侧)两个谐振器的阻抗相当——输出大约是输入的一半

 

  1. 在并联谐振器的串联谐振频率附近(下截止,~2.1 GHz),并联谐振器的阻抗变为零,实际上将输出接地,显着降低信号

 

  1. 在分频器 (~2.2 GHz) 附近,并联谐振器的阻抗趋于显着增加,而串联谐振器的阻抗趋向于零——这在输入和输出之间几乎造成短路,同时通过几乎理想的接地隔离开路。

 

  1. 在上截止频率 (~2.25 GHz) 附近,第 2 点发生相反的情况:串联阻抗趋于无穷大,将输出与输入隔离,并且透射率再次急剧下降

 

此外,并联谐振器的阻抗通常低于串联谐振器的阻抗(红色曲线相对于蓝色曲线向上移动)。这进一步增加了带外抑制,因为输出端的分压值始终较小(考虑带外)。

 

最后,请注意,通常使用传输线理论和传播波携带的功率来研究这些滤波器。尽管如此,分压器类比提供了一个很好的定性概述。

 

其他拓扑

梯形滤波器没有很大的带外抑制,如图 4 所示。因此,可以采用其他拓扑结构,例如格结构或组合梯格拓扑(图 5)。

梯形滤波

 

组合梯形

 

有关结构和设计注意事项的更多信息,请参见参考资料和 Ken-ya Hashimoto:RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications。

 

原文地址:https://onscale.com/blog/rf-filter-design-from-resonators-to-filters/

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