一種新型RFI抗射頻干擾濾波器的設(shè)計

張 超 王慧麗

（中國電子科技集團公司 第九研究所，四川 綿陽 621000）

1 引言

通訊產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)得到了突飛猛進的發(fā)展，通訊頻道在有限的范圍內(nèi)顯得日益緊張。因此，在擴展頻率的同時，充分利用好有限的頻道，使各種通訊產(chǎn)品在有限的空間彼此共存，均能正常工作顯得尤為重要。在歐美等許多國家和地區(qū)范圍內(nèi)制訂了電磁兼容標準，要求所有的電子產(chǎn)品必須滿足該標準，即在容許的范圍內(nèi)不得干擾別的電子產(chǎn)品正常工作，產(chǎn)品本身也不能被干擾。國內(nèi)近年來也積極開展和推廣電磁兼容標準，在制定并修訂相關(guān)的國標和國軍標的同時，也在加大其執(zhí)行力度。如家電行業(yè)強制執(zhí)行3C認證，電子工業(yè)行業(yè)執(zhí)行GB60000系列標準，軍工行業(yè)執(zhí)行GJB151A等。

為了滿足電磁兼容設(shè)計和檢驗，電子產(chǎn)品的設(shè)計必須能有效地抑制干擾源的發(fā)射及傳導(dǎo)、切斷其傳播途徑以及提高電子設(shè)備本身抗干擾的能力。本文擬通過對RFI抗干擾濾波器（也稱饋通式濾波器）對射頻干擾信號的抑制特性分析，討論并設(shè)計一種不僅在頻率為100kHz～10GHz范圍內(nèi)具有較高射頻干擾抑制度，還具有結(jié)構(gòu)安裝方便、工作電流大、體積小等特點的RFI抗干擾濾波器，通過切斷直流電源系統(tǒng)內(nèi)外的輻射干擾途徑并有效抑制傳導(dǎo)干擾，進而大幅度提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 工作原理

一般地，抗干擾濾波器也屬于反射式的濾波器，即干擾信號不通過濾波器傳導(dǎo)而是直接反射到源，和通常用于傳輸信號的濾波器在使用原理上正好相反：用于傳輸信號的濾波器需要與信號源處于最佳匹配狀態(tài)，保證傳輸信號的順利通過；而抗干擾濾波器則需要與信號源的阻抗處于最大失配狀態(tài)，保證干擾信號無法傳遞。

按切比雪夫濾波器原型的衰減特性[1]來計算低通濾波器的衰減特性，可以得到抑制度大于60dB的結(jié)果，不過這都是在理想元器件下得到的。通常使用的電感、電容的實際等效模型如圖 1、2 所示[2]。

圖1 電感高頻等效電路

圖2 電容高頻等效電路

從電感和電容的實際等效模型可以看出，當電感工作到一定的頻率以后，會呈現(xiàn)電容特性，而電容則會呈現(xiàn)電感特性，從而使我們的設(shè)計達不到預(yù)期的效果。從我們需要抑制的干擾信號頻率來看，圖1中要集中解決減小等效電容項Cs的問題，圖2中要集中解決減小等效電感L項的問題。所以在濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和元件選擇上都必須盡量滿足這一理想條件才能達到預(yù)期的抑制效果。

3 RFI抗干擾濾波器的設(shè)計與試驗

3.1 電感的設(shè)計

眾所周知，電感的等效電容是由繞線的匝間電容形成。電感的無容設(shè)計首先要減少繞線匝數(shù)，那么是不是匝數(shù)越小匝間電容就越小，甚至就不存在等效電容了呢？當然不是，因為電感的輸入和輸出引腳間存在電場的耦合，這樣勢必也會形成等效的電容，如果能阻斷輸入與輸出引腳之間的耦合途徑，則減小等效電容甚至消除等效電容就能達到無容設(shè)計目的。因此在電感的輸入與輸出之間我們加上了接地?zé)o限平面，這樣在結(jié)構(gòu)上就解決了因為電場耦合而形成的等效電容的問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 電感結(jié)構(gòu)

通過上面的措施，電感的等效電容基本消除，不僅如此，圖1電感高頻等效電路中的串聯(lián)等效電阻RS也是有利于濾波器的干擾抑制，這一參數(shù)對電感材料的選取起到非常大的作用。 我們知道磁性材料的磁導(dǎo)率由 μ′和 μ″組成（即 μ=μ′+μ″），μ′提供電感量，μ″產(chǎn)生高頻吸收，相當于高頻電阻。所以我們應(yīng)該選取μ′盡量高的磁性材料，用來提高圖1中的L電感項，而選擇μ″盡量高則可以提高圖1中高頻的RS項，這樣的選取不僅直接地提高了高頻串聯(lián)阻抗，而且也達到了抑制干擾的目的。所以我們在電感的設(shè)計中對磁心的選擇方法如下：根據(jù)軟磁鐵氧體材料阻抗公式即 Z=R+jX=ωL0μ″+ωL0μ′，選擇 Z 盡量大且屬于吸收型的軟磁NiZnCu類型材料。

3.2 電容的設(shè)計

根據(jù)圖2的等效電路，如果我們能有效地減小L的大小或者消除L，就能使電容工作在更高的頻率。然而任何引腳的引線均會不同程度地引入高頻的電感，若能配合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計來消除高頻電感，不失為減小L的一種捷徑。所以在結(jié)構(gòu)上，我們可以采用圓管電容，用圓管電容的內(nèi)外兩個壁形成電容的兩個電極，若將外壁的電極直接焊接在圖3的外殼上，那么圖2的等效電路中的L就可以消除了，這樣電容可以工作到極高的頻率。圖2中的等效電阻RS、Re則會帶來電容的損耗，而在抗干擾濾波器中卻并不會影響干擾信號的抑制作用。

為了增加濾波器的抑制陡度，我們采用管式雙電容結(jié)構(gòu)方式，如圖4。

3.3 濾波器結(jié)構(gòu)和仿真設(shè)計：

將圖3的電感與圖4的管式雙電容結(jié)合在一起就形成饋通式濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，外形如圖5所示。通過Serenade 8.7軟件對濾波器原型進行仿真，結(jié)果與理論推演基本吻合，達到了預(yù)期的效果，如圖6所示。

圖5 濾波器外形結(jié)構(gòu)

圖6 π型濾波器仿真曲線

4 結(jié)論

本文詳細介紹了饋通式濾波器的設(shè)計過程，闡述了如何消除集總參數(shù)電感和電容的等效電容和電感的方法，適合于所有饋通式抗射頻干擾濾波器的設(shè)計。在電容的選取上還可以采用多層的圓片穿心電容器，外電極與濾波器的殼體焊接在一起，也可以達到同樣的效果，用以抑制較低射頻干擾信號。但是在使用時必須利用模塊的腔體將輸入與輸出完全隔離開，才能完全發(fā)揮其抑制射頻干擾信號的能力。RFI饋通式抗干擾濾波器可廣泛用于各種電子設(shè)備中，抑制100kHz～10GHz頻率范圍內(nèi)的各種射頻干擾，解決電磁兼容問題。

[1]甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計（上冊）[M].北京：科學(xué)出版社，1973.1～62

[2]李振玉.高效率放大及功率合成技術(shù)（第1版）[M].北京：科學(xué)出版社，1985