RF e filtro de microondas - RF and microwave filter

Os filtros de radiofrequência (RF) e de microondas representam uma classe de filtro eletrônico , projetado para operar em sinais nasfaixas de frequência de megahertz a gigahertz ( frequência média a extremamente alta ). Esta faixa de frequência é a faixa usada pela maioria das transmissões de rádio, televisão, comunicação sem fio (telefones celulares, Wi-Fi , etc.) e, portanto, a maioria dos dispositivos de RF e micro-ondas incluirão algum tipo de filtragem nos sinais transmitidos ou recebidos. Esses filtros são comumente usados ​​como blocos de construção para duplexadores e diplexadores para combinar ou separar várias bandas de frequência.

Funções de filtro

Quatro funções gerais de filtro são desejáveis:

Tecnologias de filtro

Em geral, a maioria dos filtros de RF e micro-ondas são geralmente compostos de um ou mais ressonadores acoplados e, portanto, qualquer tecnologia que possa ser usada para fazer ressonadores também pode ser usada para fazer filtros. O fator de qualidade descarregado dos ressonadores em uso geralmente definirá a seletividade que o filtro pode atingir. O livro de Matthaei, Young e Jones fornece uma boa referência para o projeto e a realização de filtros de RF e microondas. A teoria do filtro generalizado opera com frequências ressonantes e coeficientes de acoplamento de ressonadores acoplados em um filtro de micro-ondas.

Filtros LC de elemento volumoso

A estrutura de ressonador mais simples que pode ser usada em filtros rf e de micro-ondas é um circuito tanque LC que consiste em indutores e capacitores paralelos ou em série. Eles têm a vantagem de serem muito compactos, mas o fator de baixa qualidade dos ressonadores leva a um desempenho relativamente ruim.

Os filtros LC Lumped-Element têm uma faixa de frequência superior e inferior. À medida que a frequência fica muito baixa, na faixa de kHz a Hz baixo, o tamanho dos indutores usados ​​no circuito tanque torna-se proibitivamente grande. Filtros de frequência muito baixa geralmente são projetados com cristais para superar esse problema. Conforme a frequência fica mais alta, na faixa de 600 MHz e mais alta, os indutores no circuito do tanque se tornam muito pequenos para serem práticos. Uma vez que a reatância elétrica de um indutor de uma certa indutância aumenta linearmente em relação à frequência, em frequências mais altas, para atingir a mesma reatância, uma indutância proibitivamente baixa pode ser necessária.

Filtros planos

Linhas de transmissão planas , como microtira , guia de onda coplanar e stripline , também podem ser bons ressonadores e filtros e oferecer um compromisso melhor em termos de tamanho e desempenho do que filtros de elemento concentrado. Os processos usados ​​para fabricar circuitos de microtira são muito semelhantes aos processos usados ​​para fabricar placas de circuito impresso e esses filtros têm a vantagem de serem amplamente planos.

Filtros planos de precisão são fabricados usando um processo de película fina. Fatores Q mais altos podem ser obtidos usando materiais dielétricos tangentes de baixa perda para o substrato, como quartzo ou safira, e metais de resistência mais baixa, como ouro.

Filtros coaxiais

As linhas de transmissão coaxial fornecem fator de qualidade superior do que as linhas de transmissão planas e, portanto, são usadas quando é necessário um desempenho superior. Os ressonadores coaxiais podem fazer uso de materiais com alta constante dielétrica para reduzir seu tamanho geral.

Filtros de cavidade

Ainda amplamente utilizados na faixa de frequência de 40 MHz a 960 MHz, os filtros de cavidade bem construídos são capazes de alta seletividade mesmo sob cargas de energia de pelo menos um megawatt. Fator de qualidade Q mais alto , bem como estabilidade de desempenho aumentada em frequências espaçadas (até 75 kHz), pode ser alcançado aumentando o volume interno das cavidades do filtro.

O comprimento físico dos filtros de cavidade convencionais pode variar de mais de 205 cm na faixa de 40 MHz, até menos de 27,5 cm na faixa de 900 MHz.

Na faixa de microondas (1000 MHz e acima), os filtros de cavidade se tornam mais práticos em termos de tamanho e um fator de qualidade significativamente maior do que os ressonadores e filtros de elemento concentrado.

Filtros dielétricos

Um filtro dielétrico RF de um telefone móvel Motorola 1994

Discos feitos de vários materiais dielétricos também podem ser usados ​​para fazer ressonadores. Tal como acontece com os ressonadores coaxiais, materiais de alta constante dielétrica podem ser usados ​​para reduzir o tamanho geral do filtro. Com materiais dielétricos de baixa perda, eles podem oferecer um desempenho significativamente maior do que as outras tecnologias discutidas anteriormente.

Filtros eletroacústicos

Ressonadores eletroacústicos baseados em materiais piezoelétricos podem ser usados ​​para filtros. Uma vez que o comprimento de onda acústica em uma determinada frequência é várias ordens de magnitude mais curto do que o comprimento de onda elétrico, os ressonadores eletroacústicos são geralmente menores em tamanho e peso do que as contrapartes eletromagnéticas, como ressonadores de cavidade.

Um exemplo comum de um ressonador eletroacústico é o ressonador de quartzo, que é essencialmente um corte de um cristal de quartzo piezoelétrico preso por um par de eletrodos. Essa tecnologia é limitada a algumas dezenas de megahertz. Para frequências de microondas, normalmente mais de 100 MHz, a maioria dos filtros está usando tecnologias de filme fino, como onda acústica de superfície (SAW) e estruturas baseadas em ressonador acústico em massa de filme fino (FBAR, TFBAR).

Filtro de guia de onda

O filtro de waffle é um exemplo.

Filtros baseados em tunelamento de energia

Esta é a nova classe de filtros de micro-ondas altamente ajustáveis. Esses tipos especiais de filtros podem ser implementados em guias de onda, SIW ou em tecnologia de PCB de baixo custo e podem ser ajustados para qualquer frequência mais baixa ou mais alta com a ajuda de interruptores inseridos em posições apropriadas para atingir uma ampla faixa de sintonia.

Notas

links externos