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Use filtros de banda pasante cerámicos para resolver desafíos de diseño en el rango de GHz
Ya sea de paso bajo, paso alto, paso de banda o rechazo de banda, reconocemos los filtros pasivos como un componente esencial en casi todos los circuitos y sistemas, ya que garantizan que solo pase la señal deseada mientras que las no deseadas se bloquean o desvían. A medida que las frecuencias de funcionamiento se adentran en la región de los gigahercios (GHz) y aumenta la densidad de canales, los requisitos de estos filtros también se incrementan, lo que nos obliga a ser exigentes en nuestras decisiones de diseño.
Olvídese de las clásicas implementaciones de filtros de elementos concentrados que utilizan inductores, capacitores y resistores discretos que a los profesores les encantaba enseñar (y quizá usar para atormentar a los alumnos ingresantes). Para aumentar la confusión, estaban sus desconcertantes nombres e identificadores, como pi (a menudo escrito como π únicamente por su apariencia topológica), Cauer, Butterworth, Chebyshev y Bessel, por citar algunos.
En la práctica, lograr el rendimiento y la uniformidad necesarios para los diseños actuales de GHz con estos filtros hechos a mano es difícil debido a las parasitarias de los componentes, el Q limitado, las tolerancias de fabricación y la sensibilidad del diseño. Como resultado, construir los nuestros desde cero no es ni práctico ni eficaz.
En cambio, podemos confiar en fabricantes originales de filtros que utilizan una gama de materiales y tecnologías avanzados para producir filtros estándar listos para integrar con los atributos eléctricos y mecánicos requeridos. Los tipos y tecnologías de filtros incluyen resonadores cerámicos, cerámica cocida conjunta a baja temperatura (LTCC), microstrip, película delgada sobre alúmina, guías de onda, dieléctricos, onda acústica superficial (SAW) y onda acústica de volumen (BAW).
Cómo funcionan los filtros de resonador de cerámica
Los resonadores de cerámica y los filtros LTCC comparten materiales base, pero difieren significativamente en su construcción. Los dispositivos LTCC se fabrican mediante un proceso multicapa avanzado en el que las "cintas verdes" de cerámica-vidrio se imprimen con materiales conductores para formar los elementos filtrantes pasivos necesarios, después se apilan, se prensan y se cuecen a temperaturas relativamente bajas (por debajo de 900 °C). El proceso LTCC permite la integración tridimensional y de alta densidad de componentes de resistor-inductor-capacitor (RLC) dentro de un paquete sólido, miniaturizado y térmicamente estable, adecuado para aplicaciones de alta frecuencia.
En cambio, el diseño de filtros cerámicos utiliza materiales con una constante dieléctrica alta y formas coaxiales TEM (modo electromagnético transversal) recubiertas de plata para crear una estructura resonante. Al aprovechar las propiedades de materiales cerámicos adecuados, este enfoque produce filtros de banda pasante compactos y de alto Q para frecuencias de 400 megahercios (MHz) a 6 GHz y más allá.
En la construcción de filtros resonadores coaxiales de cerámica (Figura 1, izquierda), los resonadores se sueldan uno al lado del otro a un plano puesto a tierra. Cada resonador es una línea de transmisión cortocircuitada de un cuarto de onda y la energía se acopla de un resonador al siguiente a través de capacitores de acoplamiento. Estos filtros son dispositivos compactos de montaje en superficie (SMD) (figura 1, derecha) con un excelente rendimiento de RF.
Figura 1: el filtro cerámico de banda pasante es un dispositivo multietapa de cuerpo resonante que puede modelarse como un filtro clásico de elementos concentrados (izquierda), pero utiliza una estructura física radicalmente distinta; estos filtros son SMD compactos (derecha) con características de RF favorables. (Fuente de la imagen: Mini-Circuits)
Los resonadores coaxiales de cerámica se destacan con concesiones mínimas en rendimiento de RF, estabilidad térmica y resistencia. Su rendimiento de RF se debe en gran medida a su factor de calidad (Q) y constante dieléctrica (ϵr). Aunque tanto Q como ϵr varían en función del material cerámico, Q va de cientos hasta 1000, mientras que ϵr abarca desde un valor ligeramente inferior a 10 hasta casi 100. Un Q alto produce un comportamiento resonante pronunciado (caída abrupta para los filtros), mientras que un ϵr alto reduce la longitud de onda y, por lo tanto, la longitud física requerida para una longitud eléctrica determinada, aproximadamente en proporción a la raíz cuadrada de ϵr.
El resultado es un filtro de alto rendimiento con un espacio físico muy reducido, bordes pronunciados en la banda de paso, selectividad estrecha y baja pérdida de inserción y pérdida de retorno en la banda de paso.
La deriva inducida por la temperatura es un problema importante para muchas implementaciones de filtros y complica el presupuesto de errores. Sin embargo, los materiales cerámicos plateados con plata son altamente predecibles y consistentes en su respuesta a la temperatura. Su coeficiente de temperatura de la frecuencia de resonancia suele oscilar entre 0 y 10 partes por millón por °C (ppm/°C). Incluso con una deriva "alta" de 10 ppm/°C, un filtro centrado en 1000 MHz derivaría solo 0.6 MHz en un rango de temperatura de 25 a 85 °C.
Los filtros de resonador de cerámica son resistentes. Cocidos a temperaturas superiores a 1000 °C y recubiertos de plata, pueden soportar entornos operativos muy severos. Aunque se ven afectados por la humedad por condensación, una vez que las gotas de agua se evaporan, el filtro vuelve a niveles normales de rendimiento.
Dos ejemplos ilustran las capacidades
La serie de filtros cerámicos CBP2 de Mini-Circuits muestra lo que esta tecnología de filtrado puede ofrecer a los diseñadores. La serie está dirigida a aplicaciones que requieren una selectividad pronunciada y baja pérdida de inserción, incluidas infraestructura inalámbrica, comunicaciones por satélite, sistemas aeroespaciales y de defensa, equipos de prueba y medición, módulos front-end de RF y mitigación de interferencias y acondicionamiento de señales.
Por ejemplo, el CBP2-1300BV+ es un filtro de banda pasante de 50 ohmios (Ω) de 1200 a 1400 MHz (ancho de banda de 200 MHz). Este filtro de montaje superficial monolítico viene en un paquete blindado de 13.97 × 17.78 milímetros (mm) con una altura de 3.05 mm. Presenta una caída pronunciada ("bordes pronunciados") a ambos lados de la banda de paso (Figura 2).
Figura 2: El filtro de banda pasante CBP2-1300BV+ de 1200 a 1400 MHz tiene un ancho de banda de 200 MHz y una caída abrupta alrededor de la banda de paso. (Fuente de la imagen: Mini-Circuits)
La pérdida de inserción, un parámetro importante para determinar cuánta ganancia de "compensación" necesita la cadena de señal analógica, es baja en la banda de paso, normalmente de solo 2.1 decibelios (dB) (figura 3, izquierda). Se mantiene relativamente plana y estable con la temperatura (figura 3, derecha), dos atributos muy deseables. El rechazo fuera de banda (OOB) es alto: 65 dB desde CC hasta 1000 MHz.
Figura 3: La pérdida de inserción del CBP2-1300BV+ de hasta 20 GHz muestra una caída pronunciada en la banda de paso (izquierda); una ampliación alrededor de la banda de paso (derecha) muestra la planitud de la pérdida de inserción y su estabilidad frente a la temperatura, dos atributos muy valorados. (Fuente de la imagen: Mini-Circuits)
Más arriba en el espectro se encuentra el CBP2-3440CC+, que ofrece una banda de paso de 240 MHz centrada en 3440 MHz (3320 a 3560 MHz). La pérdida de inserción en la banda de paso es extremadamente baja, de 1.5 dB, y el rechazo fuera de banda es de 65 dB. Al igual que el filtro de menor frecuencia, utiliza un paquete de montaje superficial monolítico, pero tiene una huella más pequeña y una altura más baja: 11.43 × 12.70 mm y 3.1 mm, respectivamente.
Conclusión
Los filtros de banda pasante son bloques de construcción fundamentales en la cadena de señal analógica de RF. Para cumplir los requisitos de rendimiento, uniformidad y estabilidad de las señales de GHz, los diseñadores pueden utilizar filtros estándar con estructuras resonantes y recubrimiento de plata sobre sustratos cerámicos. La serie CBP2 de Mini-Circuits ejemplifica las capacidades de esta tecnología de filtros.
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Comprensión de los filtros de resonador coaxial de cerámica
https://blog.minicircuits.com/understanding-ceramic-coaxial-resonator-filters/
Use la tecnología LTCC para filtros de banda pasante de RF de alto rendimiento, compactos y estables
Acerca de este autor
Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.
En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.
Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.
Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.
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