マイクロ波/RF フィルターおよびコンポーネントのシミュレーション

RFフィルターを設計するには、一般的に次のような手順を踏みます：

1.周波数仕様の決定

信号の通過を許可する周波数帯と遮断する周波数帯を指定して、フィルタリングする周波数帯域を決定します。通常は S パラメータで示されます。これで、適切なフィルター・タイプを選べるようになります。

2.フィルター・タイプの選択

ローパス、ハイパス、バンドパス、バンドストップなど、さまざまなタイプのフィルターがあります。タイプごとに特性が異なり、それぞれのフィルター名が示すように、特定の周波数応答で RF 信号を許可します。たとえば「バンドパス(帯域通過)」というフィルタリング応答は、通常、特定の周波数帯域の信号を通過させ、それ以外のすべての信号を遮断します。

3.フィルター・トポロジーの選択

通常、トポロジーとは、求めるフィルタリング応答を実現させるタイプの回路レイアウトを指します。LC 回路と呼ばれるコイルとコンデンサーのみの形式や、バンドパス回路と呼ばれる結合共振器の形式などがあります。

4.コンポーネントの値の計算

フィルター・トポロジーは、各種の数学的手法やフィルター設計ソフトウェアを使って合成できます。レジスター、コンデンサー、インダクターなどのコンポーネントに必要な値が計算されます。

5.RF 回路の設計の実現

この理想的な回路を設計したら、製造可能な媒体で実現しなければなりません。その手法の一つは、コイルとコンデンサー(LC)のコンポーネントから、そのままのトポロジーを実装することです。ただし、対象の周波数帯域が増えると、この手法の妥当性は弱くなります。コンポーネントの寄生効果と相互接続が増大すると、ある時点からフィルタリング特性を得られなくなるためです。その場合は、マイクロストリップや導波管など高周波のテクノロジーを使って分散型の回路を実装するという、もう一つの手法を使います。

6.性能シミュレーションと設計最適化

設計したモデルを仕上げる前に、シミュレーションを通してフィルターの性能を確かめる必要があります。また、EDA 環境でチューニングや最適化を行って、必要な周波数仕様を達成することも非常に一般的です。シミュレーションの段階では、高電力素子の場合は特に、熱や RF 絶縁破壊などの側面にも目を向けることができます。

7.フィルターの試作

シミュレーションで要求仕様を満たしたら、実際に試作品を作り、さまざまな条件下で試験して性能を検証します。

8.フィルターの微調整

シミュレーション結果と実際の測定値に矛盾がある場合は、目的の仕様を達成するまでコンポーネントの値を微調整します。そのために、高度なソフトウェア・ツールの機能を活用して微調整することも1つの方法です。

無線周波数(RF)フィルターは、信号をその周波数成分に応じて通過させたり遮断したりするように作られた電子機器を指します。無線(および有線)のさまざまな用途に幅広く使われており、ラジオ、テレビ、携帯電話、GPS ネットワークなど、商用の通信システムがよく知られています。RF フィルターの基本な概念について説明します。

1.フィルタリング・テクノロジー

RF フィルターにはさまざまなタイプがあります。それぞれ周波数帯域、物理サイズ、製造コスト、および電力処理能力に応じて異なる技術基盤を使用し、セラミック、プリント回路基板、集積回路、さらには圧電結晶など、さまざまな種類があります。

2.フィルターの設計

RF フィルターの設計は、その用途やフィルタリング対象の周波数帯域により異なります。一般的なタイプは、ローパス・フィルター、ハイパス・フィルター、バンドパス・フィルター、バンドストップ・フィルターなどです。これらは、回路理論(ラダー回路など)と応用数学(結合行列など)が関わる各種手法を用いて合成できます。

3.周波数応答

RF フィルターの周波数応答とは、入力信号のさまざまな周波数成分に対する挙動を指します。理想的なバンドパス・フィルターは、通過域の周波数応答が平らでリップルがなく、位相ひずみは最小限で、それ以外の周波数帯域は減衰させます。

4.インピーダンス整合

最良の性能を得るには、RF フィルターが接続される電源回路と負荷回路のインピーダンスを整合させることで信号反射を抑え、電源供給を最適化する必要があります。

5.挿入損失

どんなフィルターであれ、フィルタリングされる信号にはある程度の損失が生じます。これは挿入損失と呼ばれ、デシベル(dB)単位で測定されます。挿入損失が低いほど、システムのリンク・バジェット効率が向上します。

6.帯域幅

帯域幅とは、一般に S パラメータで示される、周波数スペクトルの連続範囲を指します。

7.選択性

選択性は、特定の周波数帯域内において RF フィルターが希望信号と不要信号をどれだけ識別できるかを示す尺度です。減衰傾度のロールオフが急峻であるほど、その選択度は高くなります。一般に、フィルター次数は選択性に影響を与えます。

8.用途

通信系における RF フィルターには、信号分離、干渉除去、高調波抑制、チャネル選択、スペクトル純度などさまざまな用途があります。

1.バンドパス・フィルター

特定の周波数帯域だけを通過させ、その他すべてを減衰させます。無線や通信のシステムで広く使用されます。

2.ローパス・フィルター

特定のカットオフ・ポイントを下回る周波数を通過させ、上回る周波数を減衰させます。高次高調波の除去に広く使用されます。

3.ハイパス・フィルター

特定のカットオフ・ポイントを上回る周波数を通過させ、下回る周波数を減衰させます。低周波ノイズの除去に広く使用されます。

4.ノッチ・フィルター

特定の周波数や極端に狭い周波数帯域を減衰させ、その他すべてを通過させます。無線周波障害(RFI)の緩和に広く使用されます。

5.ストップバンド・フィルター

特定の周波数帯域だけを減衰させ、その他すべてを通過させます。不要信号の除去に広く使用されます。

6.チューナブル・フィルター

フィルタリング応答のカットオフ周波数をニーズに合わせて調整できるフィルター群です。信号処理や試験などのさまざまな用途に適しています。