Mikrowellen-/HF-Filter- und Komponentensimulation

Für den Entwurf eines HF-Filters sind in der Regel die folgenden Schritte von Bedeutung:

1. Bestimmen Sie die Frequenzspezifikationen:

Legen Sie fest, wie der Frequenzbereich gefiltert werden muss, indem Sie die Frequenzbänder angeben, in denen das Signal passieren können soll, und die Frequenzbänder, die zurückgewiesen werden sollen, wie in der Regel durch die S-Parameter dargestellt. Dies hilft bei der Auswahl des geeigneten Filtertyps.

2. Wählen Sie den Filtertyp:

Es gibt verschiedene Arten von Filtern, wie Tiefpass, Hochpass, Bandpass und Bandstopp. Jeder Typ hat seine eigenen Eigenschaften und ist, wie die entsprechenden Namen vermuten lassen, für eine bestimmte Reaktion beim Zulassen von HF-Signalen geeignet. Beispielsweise wird eine „Bandpass“-Filterreaktion in der Regel verwendet, um Signale in einem bestimmten Frequenzband durchzulassen, während alles außerhalb dieses Bandes zurückgewiesen wird.

3. Wählen Sie die Filtertopologie aus:

Eine Topologie ist in der Regel eine Art Schaltkreislayout für die Realisierung der gewünschten Filterreaktion. Dies kann in Form einer Leiter-Induktivität und eines Kondensatorschaltkreises (LC) oder im Bandpass-Fall in Form von gekoppelten Resonatoren erfolgen.

4. Berechnen Sie die Komponentenwerte:

Die Filtertopologie kann mithilfe verschiedener mathematischer Methoden oder einer Filterkonstruktion-Software synthetisiert werden. Dadurch werden die erforderlichen Werte für die Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktoren berechnet.

5. Realisieren Sie die HF-Schaltkreiskonstruktion:

Sobald dieser ideale Schaltkreis entwickelt wurde, muss er in einem herstellbaren Medium realisiert werden. Ein Ansatz besteht darin, diskrete Induktor- und Kondensator-Komponenten (LC) zu verwenden und die Topologie so zu implementieren, wie sie ist. Bei einer Erhöhung des entsprechenden Frequenzbereichs ist dieser Ansatz jedoch weniger angemessen. Die parasitären Auswirkungen von Komponenten und Verbindungen werden sehr groß, und die Filtereigenschaften können zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr erreicht werden. Ein weiterer Ansatz besteht daher darin, den Schaltkreis in verteilter Form mithilfe von Mikrostreifen, Wellenleitern oder anderen Hochfrequenztechnologien zu implementieren.

6. Simulieren und optimieren Sie die Konstruktion:

Vor der Fertigstellung des entwickelten Modells ist eine Simulation erforderlich, um die Leistung des Filters zu überprüfen. Es ist auch durchaus üblich, in der EDA-Umgebung Anpassung oder Optimierung vorzunehmen, um die erforderlichen Frequenzspezifikationen zu erreichen. Weitere Aspekte, die während der Simulationsphase von Interesse sein können, sind die thermischen oder HF-Durchschlageffekte – insbesondere bei Hochleistungsgeräten.

7. Erstellen Sie einen Filter-Prototyp:

Wenn Sie mit den Simulationsergebnissen zufrieden sind, erstellen Sie einen physischen Prototyp und testen Sie ihn unter verschiedenen Bedingungen, um seine Leistung zu überprüfen.

8. Stimmen Sie den Filter genau ab:

Wenn es Abweichungen zwischen den Simulationsergebnissen und realen Messungen gibt, passen Sie die Komponentenwerte entsprechend an, bis die gewünschten Spezifikationen erreicht sind. Eine Möglichkeit besteht darin, die computergestützte Abstimmung von erweiterten Softwaretools zu verwenden.

Hochfrequenzfilter (HF-Filter) sind elektronische Geräte, die abhängig von ihren Frequenzkomponenten Signale zulassen oder blockieren. Sie werden häufig in einer Vielzahl von drahtlosen (und kabelgebundenen) Anwendungen verwendet, wo kommerzielle Kommunikationssysteme wahrscheinlich besser bekannt sind, wie z. B. Radio-, Fernseh-, Mobilfunk- und GPS-Netze. Im Folgenden werden einige der grundlegenden Konzepte von HF-Filtern erläutert:

1. Filtertechnologie:

Es gibt verschiedene Arten von HF-Filtern, von denen jeder verschiedene technologische Verfahren verwendet, die vom Frequenzbereich, der physischen Größe, den Herstellungskosten und der Stromaufnahme abhängen. Dazu gehören unterschiedliche Arten von Wellenleitern, keramische Materialien, Leiterplatten, integrierte Schaltkreise und sogar piezoelektrische Kristalle.

2. Filterkonstruktion:

Die Konstruktion eines HF-Filters hängt von seiner Anwendung und dem spezifischen Frequenzbereich ab, der gefiltert werden muss. Einige gängige Typen sind Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandstoppfilter. Diese können mithilfe verschiedener Techniken synthetisiert werden, die die Schaltkreistheorie (z. B. Leiterschaltkreise) und die angewandte Mathematik (z. B. Kopplungsmatrizen) umfassen.

3. Frequenzgang:

Der Frequenzgang eines HF-Filters bezieht sich auf das Verhalten in Bezug auf verschiedene Frequenzkomponenten eines Signals, das angelegt wird. Der ideale Bandpassfilter sollte einen flachen Frequenzgang ohne Welligkeit im zulässigen Band mit minimaler Phasenverzerrung haben, während alle anderen Frequenzen gedämpft werden.

4. Impedanzanpassung:

Für eine optimale Leistung müssen HF-Filter an die Quelle und die Lastschaltkreise angepasst werden, mit denen sie verbunden sind, um eine optimale Leistungsabgabe mit reduzierten Signalreflexionen zu gewährleisten.

5. Einfügedämpfung:

Jeder Filter führt zu einem gewissen Verlust des gefilterten Signals. Dies wird als Einfügedämpfung bezeichnet und in Dezibel (dB) gemessen. Eine geringere Einfügedämpfung bedeutet eine höhere Effizienz für das Systemverbindungsbudget.

6. Bandbreite:

Die Bandbreite bezieht sich auf einen kontinuierlichen Bereich des Frequenzspektrums, der typischerweise durch S-Parameter dargestellt wird.

7. Selektivität:

Die Selektivität ist ein Maß dafür, wie gut ein HF-Filter innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zwischen gewünschten und unerwünschten Signalen unterscheiden kann. Je steiler der Abrollwinkel der Dämpfung ist, desto höher ist ihre Selektivität. Die Ordnung des Filters beeinflusst in der Regel die Selektivität.

8. Anwendungen:

HF-Filter werden in Kommunikationssystemen auf vielfältige Weise eingesetzt, z. B. zur Signaltrennung, Störungsunterdrückung, Unterdrückung von Oberschwingungen, Kanalauswahl und für spektrale Reinheit.

1. Bandpassfilter:

Diese Art von Filter erlaubt nur den Durchlauf eines bestimmten Frequenzbands, während alle anderen Frequenzen gedämpft werden. Sie wird häufig in Funkgeräten und Kommunikationssystemen verwendet.

2. Tiefpassfilter:

Ein Tiefpassfilter ermöglicht, dass Frequenzen unterhalb eines bestimmten Grenzwerts passieren können und gleichzeitig höhere Frequenzen abgeschwächt werden. Er wird häufig verwendet, um Oberschwingungen zu entfernen.

3. Hochpassfilter:

Ein Hochpassfilter ermöglicht, dass Frequenzen oberhalb eines bestimmten Grenzwerts passieren können und gleichzeitig niedrigere Frequenzen gedämpft werden. Er wird häufig verwendet, um niederfrequentes Rauschen von Signalen zu entfernen.

4. Sperrfilter:

Ein Sperrfilter dämpft eine bestimmte Frequenz oder ein extrem schmales Frequenzband, während alle anderen passieren können. Er wird häufig zur Minderung von Hochfrequenzstörungen (RFI) verwendet.

5. Stoppband-Filter:

Dieser Filtertyp schwächt nur ein bestimmtes Frequenzband ab und lässt alle anderen Frequenzen passieren. Er wird häufig in Anwendungen verwendet, in denen unerwünschte Signale entfernt werden müssen.

6. Abstimmbare Filter:

Diese Filter ermöglichen es dem Anwender, die Grenzfrequenzen der Filterreaktion an seine Bedürfnisse anzupassen, wodurch sie für verschiedene Anwendungen wie Signalverarbeitung und -prüfung geeignet sind.