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超宽带EMI滤波器的设计与实现
作者:亚博网页版界面登陆 来源:亚博网页版界面登陆 点击: 发布日期: 2021-01-05 16:38
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1.近十年来,作为微波实验基础设施的屏蔽室的频率范围大大扩展。高端频率已经从1GHz降到了18GHz,甚至40GHz,未来的趋势预计也不会降到60GHz,甚至100GHz。 为了保证屏蔽室在整个频率范围内的屏蔽效能,即不会因为引入电源线或信号线而将干扰信号引入或引向屏蔽室,所以拒绝屏蔽室的电源滤波器和信号滤波器在一定频率范围内具有规定的插入损耗。本文提出的超宽带高频EMI滤波器的处理方法是利用介质或磁性介质的电损耗或磁损耗将高频干扰信号转化为热量,从而构建滤波效果。...
本文摘要:1.近十年来,作为微波实验基础设施的屏蔽室的频率范围大大扩展。高端频率已经从1GHz降到了18GHz,甚至40GHz,未来的趋势预计也不会降到60GHz,甚至100GHz。 为了保证屏蔽室在整个频率范围内的屏蔽效能,即不会因为引入电源线或信号线而将干扰信号引入或引向屏蔽室,所以拒绝屏蔽室的电源滤波器和信号滤波器在一定频率范围内具有规定的插入损耗。本文提出的超宽带高频EMI滤波器的处理方法是利用介质或磁性介质的电损耗或磁损耗将高频干扰信号转化为热量,从而构建滤波效果。

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1.近十年来,作为微波实验基础设施的屏蔽室的频率范围大大扩展。高端频率已经从1GHz降到了18GHz,甚至40GHz,未来的趋势预计也不会降到60GHz,甚至100GHz。

为了保证屏蔽室在整个频率范围内的屏蔽效能,即不会因为引入电源线或信号线而将干扰信号引入或引向屏蔽室,所以拒绝屏蔽室的电源滤波器和信号滤波器在一定频率范围内具有规定的插入损耗。本文提出的超宽带高频EMI滤波器的处理方法是利用介质或磁性介质的电损耗或磁损耗将高频干扰信号转化为热量,从而构建滤波效果。滤波器中填充的电磁介质会强烈吸收低频电磁波,导致简单信号的大幅波动。2.超宽带电磁干扰滤波器的设计思路超宽带电磁干扰滤波器在低频端采用LC反射滤波原理,在高频端采用高性能吸波材料的吸收滤波原理。

在滤波器设计过程中,根据需求方得到的通带截止频率、阻带插入损耗、额定电流和溢出电流的要求,对滤波器的低频端进行计算机建模,从而得到所需的电感和电容数量以及合适的元件值,进而画出合适的电路图。因为EMI滤波器只需要满足要求的截止频率和插入损耗,没有特殊的频率响应容差,所以低频端建模采用了电路非常简单、元器件很少的Tobyshev滤波器调用,可以增加滤波器的尺寸和重量。

在低频端,只有100MHz以下的频段才能解决问题,100MHz以上的频段受电感线圈的电感、分布电容等参数影响,导致LC滤波电路性能上升甚至几乎过热。高频端的处理方法是加工一根空心同轴线,在同轴线的内外导体之间填充高磁损耗和高电损耗的吸收材料,将传播路径中的高频干扰信号波掉。填充在同轴线内外导体之间的电介质或磁介质,如铁氧体、导电碳黑等,多为导体,不会造成同轴线内外导体之间的短路。

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因此,必须在内外导体之间减少绝缘层。低频侧的LC滤波电路在100MHz以下的频段具有良好的插入损耗性能。但由于电路中的电感线圈和电容都是集总参数元件,当工作频率低至100MHz时,电感线圈中的分布电容和电容中产生的电感不会成为主导参数,使得这类滤波器的插入损耗性能得到显著提高。在高频下,填充有吸收材料的同轴线具有更好的插入损耗特性。

如果我们拒绝在低频10kHz到微波频段40GHz具有良好的EMI感应性能,就必须将两个滤波器串联使用,从而构成了低频反射滤波、高频吸收滤波的超宽带EMI滤波器的设计思路。3.UWB EMI滤波器设计应用实例我们以功率滤波器为例,假设需求侧有以下技术抑制:通带截止频率fp=1kHz,阻带连接频率fs=10kHz,通带内波动大于3dB,阻带内波动小于100dB,阻带应扩展到40GHz的下限频率。低频端部分重新处理,采用Tobyshev逼近展开建模。Tobyshev滤波器也叫等纹波滤波器。

该滤波器的波动在通带内表现出等平滑性,平滑性表明波动程度仅次于与理想均匀分布的偏离程度;过渡带的波动比巴特沃兹滤波器具有更慢和更快的增长率;在不考虑参数的情况下,阻带的波动会单调减小。根据以上技术排斥,可以确定Tobyshev滤波器的阶数为5,元器件的连接方式分为T型和T型。T型电路的奇数元件是电感,偶数元件是电容,所以需要的电感数量很大。

在滤波器的实际生产中,电感线圈的尺寸主要影响滤波器的体积。使用T型电路很容易导致相当大的滤波器体积和容易放置,所以大部分元件都是通过类型电路连接的。

电路的奇数元件是电容器,偶数元件是电感器。电路图如图1右图所示。

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在图中,C1=6.4F,L4=3.5mH,C3=8.4F,L4=3.5mH,C5=6.4F.假设输出端和输入端的负载电阻都是50,那么通过对图1中电路进行拉普拉斯变换扩展,就可以计算出LC滤波电路低频端插入损耗的频率响应,结果如图2右图所示。通带内的插入损耗具有平缓的特性,但低于3 dB。

过渡带插入损耗从3dB下降到100dB快点。阻带中的插入损耗呈单调下降趋势。为了处理高频端,加工一定长度的同轴线,然后在内外导体之间填充吸收材料。

由于吸收材料通常具有导电性,因此有必要确保内导体和外导体之间的绝缘性能。低频端的LC滤波电路和高频端的介质同轴线串联,用金属外壳屏蔽PCB,即可得到超宽带EMI滤波器。

表1给出了该滤波器插入损耗的检测数据,阻带内的插入损耗小于100dB,符合先验抑制。4.结论本文阐述的超宽带EMI滤波器在小于10GHz的频带内仍有大于100dB的插入损耗,解决了传统LC滤波器由于电路参数影响导致滤波性能在频率高端增大的缺点。

这种超宽带EMI滤波器非常适合工作频率为40GHz甚至更高的屏蔽室,可以防止干扰信号通过电源线或信号线进出屏蔽室。


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