一種新型RFI抗射頻干擾濾波器的設計

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計和檢驗，電子產(chǎn)品的設計必須能有效地抑制干擾源的發(fā)射及傳導、切斷其傳播途徑以及提高電子設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，還具有結構安裝方便、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，從而使我們的設計達不到預期的效果。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。所以在濾波器的結構設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期的抑制效果。

3 RFI抗干擾濾波器的設計與試驗

3.1 電感的設計

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計目的。因此在電感的輸入與輸出之間我們加上了接地無限平面，這樣在結構上就解決了因為電場耦合而形成的等效電容的問題，結構設計如圖3所示。

圖3 電感結構

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)品的結構設計來消除高頻電感，不失為減小L的一種捷徑。所以在結構上，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構方式，如圖4。

3.3 濾波器結構和仿真設計：

將圖3的電感與圖4的管式雙電容結合在一起就形成饋通式濾波器的結構設計，外形如圖5所示。通過Serenade 8.7軟件對濾波器原型進行仿真，結果與理論推演基本吻合，達到了預期的效果，如圖6所示。

圖5 濾波器外形結構

圖6 π型濾波器仿真曲線

4 結論

本文詳細介紹了饋通式濾波器的設計過程，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)代微波濾波器的結構與設計（上冊）[M].北京：科學出版社，1973.1～62

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