Миниатюрные проходные, помехоподавляющие фильтры для микроэлектроники СВЧ. Часть 1. Виды помех, электрические схемы, основные параметры и конструкция фильтров

1. Виды помех в устройствах микроэлектроники СВЧ

Источниками помех в устройствах микроэлектроники СВЧ являются блоки питания, микропроцессоры, видео­драйверы, радиочастотные генераторы и многие другие компоненты. Помехи могут распространяться двумя способами. Первый – излучением, когда электромагнитная энергия распространяется в пространстве и взаимодействует с другими системами. Второй – проводной путь, когда помеха проходит по проводникам системы, таким как дорожки печатной платы и выводы компонентов. Часто помехи возникают из-за ненадёжных соединений в электронных устройствах. Проводная помеха будет улавливаться другими устройствами, подключёнными к той же линии [1–11].

Нежелательные помехи подразделяются на радиочастотные помехи (Radio Frequency Interference – RFI) и электромагнитные помехи (Electromagnetic Interference – EMI) [1–2]. RFI – помехи в диапазоне частот 3–30 ГГц и более, вызваны сигналами из различных источников. EMI включают в себя помехи более низких частот как от природных, так и от искусственных источников. К природным источникам относятся молнии и солнечная радиация, а к искусственным источникам – линии электропередач, электронное оборудование и многое другое. Подавление помех в этом случае происходит за счёт экранирования, создания барьеров, которые поглощают или перенаправляют электромагнитные помехи, предотвращая их воздействие на электронные компоненты.

В технической литературе помехи этих двух видов чаще всего объединяют и называют электромагнитными помехами. Однако при поиске необходимой информации по помехоподавляющим фильтрам целесообразно их указывать как EMI/RFI Filters.

Эффективная фильтрация электромагнитных помех необходима практически для каждого современного электронного устройства. Помехи вызывают сбои в работе, ошибки в данных и системные сбои, серьёзно влияя на надёжность и функциональность электронных систем. В связи с миниатюризацией аппаратуры, ростом чувствительности схем и компонентов к помехам и повышением частоты передачи сигналов ужесточаются требования к обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС). Под ЭМС понимается «способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам» [3].

В настоящее время общепризнано, что основным средством подавления ЭМП и развязывания по высокой частоте цепей питания и управляющих сигналов являются фильтры нижних частот, которые пропускают низкочастотный сигнал и блокируют нежелательные высокочастотные помехи. Фильтры устанавливают в каждый незаземлённый провод в цепи питания между источником и нагрузкой по возможности как можно ближе к источнику помех. Поэтому помехоподавляющие фильтры стали неотъемлемой частью электронных модулей СВЧ и микроэлектронной аппаратуры [1–11].

Различают две большие группы миниатюрных помехоподавляющих фильтров: проходные, монтируемые в корпуса изделий, и для поверхностного монтажа на печатные платы. В данной статье рассмотрены миниатюрные фильтры первой группы.

Фильтр электромагнитных помех блокирует помехи, чтобы защитить от их негативного воздействия другие электронные устройства. При этом высокочастотные сигналы воспринимаются как шум, а низкочастотные сигналы пропускаются (рис. 1) [4].

2. Электрические схемы фильтров нижних частот

Электрические схемы однозвенных фильтров нижних частот приведены на рис. 2 [4, 5]. 

Помехоподавляющий фильтр нижних частот представляет собой линейный четырёхполюсник, предназначенный для частотной селекции сигналов. Фильтр выделяет из сложного электромагнитного колебания, подаваемого на его вход, частотные составляющие, расположенные в полосе пропускания, и подавляет частотные составляющие в полосе задержания (рис. 2б) [5].

С-фильтр – проходной конденсатор с тремя выводами, включаемый между источником помехи и нагрузкой. Конденсаторы работают как фильтры нижних частот, когда подключаются параллельно нагрузке в цепи между сигнальным проводником и «землёй» устройства. Особенность импеданса конденсатора заключается в том, что он уменьшается на более высоких частотах.

Примечание: импеданс – это комплексное эффективное электрическое сопротивление между двумя узлами для цепи гармонического сигнала. Символом полного сопротивления является Z, а единицей измерения Ом. Z=√(R² + XL²), где R – активное, а XL – реактивное сопротивления. Значения Z и XL зависят от частоты.

Так как характер помехи в основном высокочастотный, она отводится конденсатором на «землю». При большой ёмкости конденсатор шунтирует переменную составляющую тока помехи, и она не попадает в нагрузку, и в нагрузку поступает постоянный ток. В высокочастотных схемах требуются конденсаторы с низкими эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) для обеспечения минимальных потерь сигнала и высокой эффективности. Низкое значение ESR указывает на то, что фильтр не будет рассеивать много энергии во время работы.

L-C-фильтр содержит один индуктивный и один ёмкостной элементы и применяется в случае низкого импеданса источника и высокого импеданса нагрузки. В случае использования индуктивного элемента он включается последовательно в цепь с помехами.

В качестве индуктивности в таких фильтрах применяют трубчатые ферритовые сердечники, надетые на центральный проводник. Основную долю (более 90%) в величину индуктивности вносит феррит. Для применения в фильтрах выбирают высокочастотные термостабильные никель-цинковые ферриты марки 50 ВН [5]. Полное сопротивление индуктивности растёт с увеличением частоты, что позволяет ослабить или подавить помехи. Индуктивность при работе на высоких частотах по своим свойствам приближаются к резистору, что, во-первых, уменьшает вероятность возникновения паразитных колебаний, а во-вторых, не искажает форму полезного сигнала. Конденсатор действует как «канал связи с землёй» для сигналов, но только на высокой частоте, где и возникает «шум». Индуктивность отбрасывает «шум» обратно по линии, но пропускает сигналы постоянного тока [6].

Pi-фильтр содержит два ёмкостных и один индуктивный элементы. Наличие второго конденсатора значительно улучшает параметры подавления ЭМП. Фильтры с такой электрической схемой целесообразно применять при низких значениях импеданса источника и нагрузки.

Т-фильтр состоит из двух индуктивных и одного ёмкостного элементов. Этот фильтр применяют в случае высоких значений импеданса входа и выхода, например, в цепях коммутации.

3. Основные параметры помехоподавляющих фильтров

Основными параметрами фильтров с разными электрическими схемами являются: частота среза; вносимое затухание; электрическая ёмкость; номинальные напряжение и ток; сопротивление изоляции; герметичность; рабочий диапазон температур; миниатюрность, конструктивные особенности и удобство применения.

Главными показателями эффективности работы фильтра являются частота среза, величина вносимого затухания (α), размеры полос перехода и задержания (рис. 2б). На частоте среза фильтра (fср) – величина вносимого затухания равна 3 дБ, что на 3 дБ ниже по амплитуде уровня полосы пропускания фильтра. Частота среза определяет нижнюю границу частотного диапазона подавления помех. Частоту среза для LC-фильтра рассчитывают по формуле:

где L – индуктивность, C – ёмкость конденсатора.

Эффективность действия помехоподавляющих фильтров оценивают величиной вносимого затухания (ɑ) сигнала помех:

где U₁ и U₂ – напряжения на нагрузке без фильтра и с фильтром.

Вносимое затухание в технике СВЧ удобно измерять в децибелах. Например, если U₁ = 100 мВ, а U₂ = 1 мВ, то α = –40 дБ. Приведём некоторые полезные соотношения, вытекающие из приведённой формулы (2): 3 дБ соответствуют изменению измеряемой величины в 2 раза, 6 дБ – 4 раза, 10 дБ – 10 раз, 20 дБ – 100 раз, 30 дБ – в 1000 раз и т.д. При величине 40 дБ вносимых потерь на частоте 100 МГц фильтр удаляет 99,99% помех.

Вносимое затухание – один из важнейших параметров при выборе фильтра электромагнитных помех. Чем больше величина вносимого затухания и чем уже полоса перехода, тем выше эффективность подавления ЭМП фильтром.

Величина вносимого затухания фильтра зависит от его электрической схемы (рис. 3) [5].

Электрическая ёмкость фильтра (далее – ёмкость) – также важнейший параметр, определяющий все основные электрические параметры фильтра: частоту среза, ширину полосы перехода и уровень вносимого затухания в полосе задержания. Чем больше величина электрической ёмкости, тем меньше частота среза, ширина полосы перехода и тем выше уровень вносимого затухания. Ёмкость фильтров для применения в цепях питания должна быть не менее 1500 пФ, для цепей наносекундных импульсных сигналов (чтобы не исказить форму импульса) – не более 50 пФ [5, 8].

В табл. 1 показана частотная зависимость вносимого затухания от ёмкости фильтров с электрическими схемами C, L-C, Pi [5]. 

Сравнение частотных зависимостей вносимого затухания фильтров, построенных на основе разных электрических схем, показывает, что эффективность подавления электромагнитных помех возрастает в последовательности схем C, L-C, T и Pi.

Зарубежные компании приводят величины вносимого затухания на определённых частотах, например 10, 100 и 300 МГц, 1 и 10 ГГц. Величину вносимого затухания отечественных фильтров ранее приводили как среднее значение в заданном диапазоне частот. Это обстоятельство следует учитывать при сравнении отечественных и зарубежных фильтров.

Номинальный ток – максимально допустимый непрерывный рабочий ток при номинальном напряжении и заданной температуре окружающей среды. Номинальный ток фильтра должен быть равен или превышать максимальный постоянный входной ток, который может потреблять устройство [8].

Номинальное напряжение – максимальное напряжение сети, с которым может работать фильтр. Оно должно быть равно или превышать максимальное входное напряжение, подаваемое на фильтруемое устройство. Фильтры могут выдерживать крат­ковременные перенапряжения выше номинального уровня, но постоянное превышение номинального напряжения может привести к серьёзному повреждению конденсаторов фильтра [8].

Сопротивление изоляции – электрическое сопротивление изоляции между корпусом и выводами фильтра, измеренное при определённом напряжении. Оно определяет токи утечки фильтра. Величина сопротивления изоляции помехоподавляющих фильтров разных типов от 500 МОм до 10 ГОм.

Рабочий диапазон температур – это диапазон температур, при которых фильтр может безопасно работать. Для большинства коммерческих фильтров диапазон рабочих температур составляет от –25°C до +85°C или от –25°C до +100°C. Для военных применений этот диапазон должен быть от –40°C до +100°C или от –60°C до +125°C. Использование фильтра при температуре, выходящей за пределы этого диапазона, может привести к повреждению его компонентов.

Герметичность. Понятие «герметичность» без указания величины скорости натекания гелия (или другого газа) через фильтр не имеет практического смысла. Известны три уровня герметичности [9].

1. Герметичность не регламентируется и поэтому не гарантируется. Это относится ко всем фильтрам, герметизированным эпоксидными компаундами.

2. Скорость 1,3×10^–6–1,3×10^–7м³•Па/с – средний уровень герметичности. Фильтры среднего уровня герметичности нежелательно применять в изделиях с большим сроком хранения. Они предназначены для изделий менее ответственного назначения или кратковременного действия.

3. Скорость натекания 1,3×10^–9–1,3×10^–11м³•Па/с – высокий уровень герметичности (вакуумная плотность) фильтра. Герметичность обеспечивается за счёт внутреннего металлостеклянного спая. Такую скорость натекания определяют масс-спектрометрическим методом при помощи гелиевого течеискателя. Фильтры высокого уровня герметичности необходимы для применения в герметизированной аппаратуре СВЧ высокой надёжности.

4. Об измерении параметров помехоподавляющих фильтров

Все производители указывают в спецификациях на выпускаемые фильтры величину вносимых потерь на разных частотах в системе с эталонным сопротивлением 50 Ом. Производитель фильтра зачастую не знает ни уровня помех, связанных с конкретным устройством, ни реальных значений сопротивления нагрузки. Поэтому опубликованные характеристики вносимых фильтром потерь в определённом диапазоне частот или во всём диапазоне частот не обязательно отражают эквивалентное ослабление помех в устройстве на практике. Производителю устройства желательно проводить собственные испытания, чтобы определить, подходит ли фильтр для подавления помех в его устройстве.

Следует подчеркнуть, что вносимое затухание обычно определяют в измерительной схеме с волновым сопротивлением 50 Ом. При включении фильтра в электрическую схему, в которой сопротивления источника и нагрузки не равны 50 Ом, величина эффективного вносимого затухания фильтра будет отличаться от измеренной [8]:

где Zи и Zн – сопротивления соответственно источника и нагрузки, Ом;

Zп – сопротивление линии передачи, Ом, определяемое по графику рис. 4 [8].

Например, если Zи = 100 Ом, Zн = 600 Ом, а величина вносимого затухания фильтра равна 50 дБ на частоте 100 МГц при измерении в 50-омной схеме, то Zп = 0,08 Ом. Тогда эффективное вносимое затухания равно:

Эти измерения осуществляют с использованием двухпортового анализатора цепей (рис. 5) [9]. 

В данном контексте S-параметры пассивных радиочастотных фильтров представляют собой матрицу, зависящую от частоты:

Поскольку измерительное устройство является пассивным (и немагнитным), то есть S12 = S21, то для описания отклика фильтра необходимы только три параметра: S11, S21 и S22. Величина и фаза этих сигналов соответствуют нескольким частотно-зависимым параметрам, важным для анализа фильтров (табл. 2) [9].

Компания Corry Micronics рассчитывает величину вносимого затухания С-фильтров по упрощённой формуле:

где ƒ – частота, Гц; C – ёмкость фильтра, фарад [9].

5. Конструкция миниатюрных помехоподавляющих фильтров

5.1. Трубчатые и дисковые конденсаторы, применяемые в миниатюрных помехо­подавляющих фильтрах

Первый международный стандарт MIL-PRF-15733 на конденсаторы и фильтры закрепил конструкцию фильтров, в которых в качестве электрической ёмкости применялся трубчатый тонкостенный керамический конденсатор. Но когда были разработаны монолитные многослойные дисковые конденсаторы, они сразу заняли доминирующее положение в конструкциях помехоподавляющих фильтров.

На рис. 6 показаны трубчатые и дисковые конденсаторы, применяемые в помехоподавляющих фильтрах.

Многослойные монолитные дисковые конденсаторы, содержащие от двух до нескольких десятков металлизированных определённым образом тонких слоёв керамики, имеют прочную конструкцию, малую собственную индуктивность и ёмкость до нескольких единиц микрофарад. Такая структура достигается путём нанесения на керамическую подложку слоёв различных металлических электродов и диэлектрика. Используемые материалы, как правило, представляют собой керамический диэлектрик на основе BaTiO₃ с электродами из PdAg с покрытием Au [14].

В качестве примера в табл. 3 приведены размеры и параметры некоторых дисковых конденсаторов американской компании Advanced Monolithic Ceramics (AMC) [9].

5.2. Конструкция фильтров с трубчатым и дисковым конденсаторами

На рис. 7 показаны типичные конструкции помехоподавляющих фильтров с трубчатым и дисковым конденсаторами компании Souriau PA&E [13]. Внутри трубчатого конденсатора расположены ферритовый сердечник и центральный проводник (индуктивность) (рис. 7а).

В зависимости от материалов, используемых для изготовления сердечника, феррит эффективно работает на определённых частотных диапазонах. На более высоких частотах ферриты переходят из режима индуктивности в режим потерь, как резисторы [1].

Конструкция с трубчатым конденсатором имеет следующие недостатки:

• невозможность получения в миниатюрных фильтрах большой ёмкости (более сотых долей микрофарада);
• повышенная хрупкость трубчатого конденсатора, из-за которой в нём могут возникнуть трещины во время установки и при пайке фильтра в корпус изделия.

Конструкция фильтра с дисковыми конденсаторами показана на рис. 7б и 8.

В фильтре с Pi-схемой компании Souriau PA&E ферритовый сердечник расположен между двумя дисковыми конденсаторами [13]. Фильтр, показанный на рис. 8б, герметизирован с торцов металлостеклянным спаем и эпоксидным компаундом.

Заключение

Борьба с электромагнитными помехами – важнейшая задача при создании изделий микроэлектроники СВЧ. Подход к её решению усложняют следующие факторы:

• возрастание функциональных возможностей и сложности изделий;
• миниатюризация;
• увеличение плотности компоновки и усиление взаимного влияния компонентов;
• повышение рабочих частот;
• рост требований к надёжности и долговечности и вследствие этого необходимость герметизации изделий.

Помехоподавляющие фильтры являются важнейшими компонентами электронных устройств, обеспечивающими снижение уровня нежелательных помех.

Во второй части данной статьи будут рассмотрены типы фильтров, их выбор и применение, а также сравнение зарубежных и отечественных фильтров.

Литература

1. Guide to EMI Filters | Ohmite Mfg Co. URL: https://ohmite.com.
2. Экранирование RFI/EMI: защита электроники в современном мире. URL: https://www.niceone-keypad.com/ru.
3. Воловик М., Смирнов В. Керамические проходные конденсаторы и фильтры нижних частот. Состояние и перспективы развития // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2004. № 7. С. 36–40.
4. Applications and Benefits of EMI Filters. URL: https://www.iqsdirectory.com/articles.
5. Джуринский К.Б. Миниатюрные помехоподавляющие фильтры СВЧ диапазона частот // Современная электроника. 2023. № 8. С. 28–33.
6. EMI Filters advanced EMI protection. Oxley Group. URL: https://www.oxleygroup.com.
7. How to Choose the Right EMI Filter for your Design? URL: https://components101.com.
8. EMI Filters Selection Guide – EEE Parts... | doEEEt.com.
9. Джуринский К.Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры / под ред. д.т.н. А.А. Борисова. СПб.: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2014. 426 с.
10. LC Filter Design Tool. Marki Microwave. URL: https://markimicrowave.com.
11. Bulkhead-miniature-emi-filters-for-aerospace-applications-explained. URL: https://www.doeeet.com.
12. Comprehensive Guide to EMI Filter Selection – EMC Directory. URL: https://emc-directory.com.
13. PАЕ. cat.057. Souirau PA&E. 2007. Vol. 3.
14. Производство керамических конденсаторов. 31 янв. 2024 г. Компания «ЕвроМикроТех». URL: https://euromicrotech.ru.

© СТА-ПРЕСС, 2025