Зарубежные миниатюрные фильтры нижних частот. Ключ к информации о фильтрах

За рубежом фильтры нижних частот разрабатывает и выпускает ряд фирм. Информация о самых известных компаниях приведена в таблице 1.

№№ п/п Компания Страна Сайт 1 Spectrum Control, Inc. США, Германия www.spectrumcontrol.com 2 Tusonix, Inc. Франция www.tusonix.сom 3 Eurofarad Франция www.eurofarad.com 4 Syfer Technology, Ltd. Англия www.syfer.com 5 Corry Micronics, Inc. США www.cormic.сom 6 Oxley Development Co., Ltd. США www.oxleygroup.сom 7 Advanced Monolitic Ceramics, Inc., A Johnson Comp. США www.amccaps.сom 8 МuRata Electronics Япония, США www.murata.сom

Лидирующую роль в разработке и производстве фильтров играют фирмы США, Франции, Англии, Германии и Японии. В последнее время производство конденсаторов и фильтров для поверхностного монтажа быстрыми темпами наращивают производители из стран Юго-Восточной Азии.

Конструкция фильтров

Основное назначение фильтров подавление электромагнитных помех, нарушающих нормальную работу радиотехнических устройств. Проходные фильтры являются фильтрами нижних частот и состоят из керамического конденсатора и ферритовой индуктивности. Они имеют высокое сопротивление изоляции и малую собственную индуктивность, что предотвращает нежелательные резонансные явления.

Электрические параметры фильтра определяются в основном электрической емкостью конденсатора. Применяют конденсаторы трубчатые (tubular capacitors) и многослойные дисковые (discoidal multilayer capacitors) (рис. 1). Величина электрической емкости конденсатора и ее стабильность зависят от керамического материала.

В зарубежных фильтрах нашли применение керамические материалы (на основе титаната бария) трех групп: COG/NPO (сверхстабильные), X7R (стабильные), а также Z5U, Y5V, X7W (общего применения). При использовании керамики COG/NPO с диэлектрической проницаемостью ε =10100 максимальное изменение электрической емкости не превышает 30 ppm/°С (ppm parts per million, число единиц на миллион) в диапазоне температур от 55 до +125 °С. Для материала X7R ( ε = 20004000) изменение емкости составляет ±15%, а для материалов Z5U, Y5V и X7W ( ε = 500025 000) соответственно +22…56, +22…56 и +40…90%.

В 1990-х годах компания AMP разработала фильтры на основе композиционного феррит-титанатного материала. В них на ферритовый сердечник нанесен слой керамики с высокой диэлектрической проницаемостью.

Трубчатые конденсаторы изготавливают с электрической емкостью от 10 пФ до 0,1 мкФ. Многослойные дисковые конденсаторы могут иметь емкость от 100 пФ до 10 мкФ. Минимальный наружный диаметр дискового конденсатора 2 мм, внутренний диаметр 0,5 мм.

Индуктивный элемент фильтров представляет собой кольца или трубки из термостабильного феррита (ferrite bead), надетые на центральный вывод фильтра.

Группы фильтров

Основные группы фильтров представлены в таблице 2.

№ Группа Изображение 1 Chassis mount filters Фильтры, монтируемые в корпуса и панели изделий рис. 2а 2 Surface mount filters Фильтры для монтажа на поверхность печатной платы рис. 2б 3 Filter plates, Filter plate assemblies Сборки фильтров c различными электрическими схемами на металлических платах рис. 2в 4 Filtered terminal blocks Фильтрующие многовыводные блоки. Количество фильтров в блоке не более 12 рис. 2г 5 Filtered connectors and adapters, Filtered connector modules Многовыводные фильтрующие соединители и адаптеры со штыревым и гнездовым контактами для изделий с плотной компоновкой рис. 2д

Самую большую группу составляют фильтры, монтируемые в корпуса изделий. В нее входят миниатюрные резьбовые и безрезьбовые фильтры, герметизированные компаундом и металлостеклянным спаем, фильтры для прессовой посадки, фильтры для больших токов и напряжений, так называемые spin-фильтры, «глазковые» фильтры и керамические фильтры для устройств во взрывобезопасном исполнении (рис. 2а).

Большая группа керамических фильтров для поверхностного монтажа (рис. 2б) включает:

3-выводные конденсаторы чипы групп 0805, 1205 и 1806 с размерами соответственно 2×1,25×0,8; 3,2×1,25×0,7 и 4,5×1,6×1,0 мм. Рабочий ток фильтров до 2 А, напряжение до 100 В, рабочий диапазон температур: 55…+125 °С. Разработаны фильтры с электрической емкостью от 22 пФ до 470 нФ.
Неполярные фильтры с электрической схемой L-C и Pi чипы групп 0805 и 1205, рассчитанные на рабочий ток 100 мА и напряжение 25 В. Фильтры эффективно подавляют электромагнитные помехи, начиная с частоты 220 МГц. 3-выводные конденсаторы и неполярные фильтры применяют в сотовых телефонах, базовых станциях, аудио- и видеотехнике.
Мощные C— и Pi-фильтры серий SSM и PSM (обозначение компании Spectrum Control), рассчитанные на токи соответственно 10 и 20 А. Фильтры имеют электрическую емкость до 2000 пФ (SSM) и до 10 000 пФ (PSM) и эффективно подавляют электромагнитные помехи в диапазоне частот до 18 ГГц. Область применения фильтров усилители мощности, источники питания, устройства управления электродвигателями.

В фильтрующие сборки (Filter array assemblies) входят платы и блоки с установленными фильтрами. Применение фильтрующих сборок обеспечивает снижение стоимости устройств и повышение их надежности за счет устранения ошибок при выполнении электрической разводки. В фильтрующих платах установлены ряды фильтров с минимальным расстоянием между осями фильтров 2 мм (рис. 2в). Изготавливают платы с разнообразным расположением фильтров с электрической схемой С и Piи емкостью до 5000 пФ для эффективного подавления электромагнитных помех на частотах до 18 ГГц. Рабочий ток фильтров 5 А, напряжение 50 В, рабочий диапазон температур: 55…+125 °С. По желанию заказчика могут быть изготовлены сборки прямоугольной, круглой или иной формы.

Разработаны и выпускаются фильтрующие блоки разнообразного конструктивного исполнения с количеством фильтров в блоке от 2 до 12 (рис. 2г). Допустимые ток и напряжение соответственно равны 20 А и 250 В. Блоки имеют жесткую конструкцию и предназначены для эффективного подавления помех на частотах до 18 ГГц в источниках питания, системах распределения мощности, телекоммуникационном оборудовании.

Фильтрующие соединители (рис. 2д) нашли широкое применение в современных радиотехнических устройствах. Замена стандартных низкочастотных соединителей на соединители со встроенными фильтрующими элементами экономически эффективное решение обеспечения электромагнитной совместимости при создании надежных устройств с высокой плотностью компоновки. Разработаны и выпускаются фильтрующие соединители в герметичном исполнении, а также для эксплуатации при жестких условиях. Наиболее известны D-субминиатюрные фильтрующие соединители.

Конструктивные особенности

Основные конструктивные исполнения зарубежных фильтров приведены в таблице 3.

Электрические схемы фильтра (рис. 3). Проходной 3-выводной конденсатор с низкой индуктивностью (рис. 3а):

На рис. 3 показаны электрические схемы однозвенных фильтров нижних частот.

С-фильтр (рис. 3а), включенный между источником помехи и нагрузкой, шунтирует электромагнитную помеху на «землю», и она не попадает в нагрузку. Емкость фильтра для цепей питания должна быть тем большей величины, чем меньше сопротивление нагрузки. Этот фильтр является наиболее экономичным средством подавления помех в устройствах высокоскоростного переключения и в цифровых устройствах, так как он имеет наиболее низкую собственную индуктивность.

L-C-фильтр применяют в электрических цепях с несбалансированными сопротивлениями источника помехи и нагрузки. Возможны два варианта включения L-C-фильтра. При низком сопротивлении источника и высоком сопротивлении нагрузки применяют схему рис. 3б, в противоположном случае схему, представленную на рис. 3в. Для правильного выбора должны быть известны величины этих сопротивлений во всем диапазоне рабочих частот. Если они не известны, правильнее выбирать схему рис. 3в.

Pi-фильтр (рис. 3г) наиболее эффективен в электрических цепях с неизвестными или отличающимися друг от друга сопротивлениями источника и нагрузки. Его применение предполагает низкие сопротивления источника и нагрузки. Наличие второго конденсатора значительно улучшает эффективность подавления помех. Pi-фильтры не рекомендуется использовать в цепях коммутации.

Т-фильтр (рис. 3д) предназначен для применения в цепях коммутации при высоких сопротивлениях источника и нагрузки.

Кроме того, применяют сдвоенные Pi и T схемы.

Фильтры различных конструкций показаны на рис. 4.

Миниатюрные фильтры в подавляющем большинстве герметизированы эпоксидным компаундом с низким коэффициентом термического расширения (рис. 4а, в). Компаунд, заполняющий внутренние полости в корпусе фильтра, поддерживает вывод фильтра, повышает жесткость конструкции и защищает конденсатор от воздействия влаги из окружающей среды. Требование герметичности к этим фильтрам не предъявляют. В перечне типовых испытаний согласно стандарту MIL-F-28861 испытание на герметичность для них исключено.

Фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем, выпускают двух типов:

миниатюрные безрезьбовые фильтры, в основном проходные конденсаторы (рис. 4б);
мощные резьбовые фильтры для больших токов и напряжений (рис. 4е).

Зарубежные компании не производят миниатюрные резьбовые фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем, хотя такие фильтры наиболее оптимальны для герметизированных изделий повышенной надежности.

Spin-фильтры (рис. 4г) это миниатюрные резьбовые фильтры, обеспечивающие наименьшее межцентровое расстояние при установке в ряд и не требующие пайки при монтаже в изделие. Для вкручивания в корпус изделия необходим специальный инструмент. Фильтры имеют электрическую емкость от 10 до 10 000 пФ. Их рабочий ток 5А, напряжение 50 В, рабочий диапазон температур: 55…+125 °С. Такие фильтры применяют в синтезаторах частоты, усилителях и в других изделиях с плотной компоновкой.

Фильтры для прессовой посадки (рис. 4д) разработаны для применения в изделиях, не допускающих нагрева при пайке. Фильтры имеют емкость от 5 до 30 000 пФ и эффективно поглощают электромагнитные помехи на частотах до 10 ГГц. Их рабочий ток 5 А, напряжение 50200 В, рабочий диапазон температур: 55…+125 °С. Разработаны фильтры, герметизированные металлостеклянным спаем с одного торца и компаундом с другого. Область применения фильтров аттенюаторы, синтезаторы частоты, осцилляторы.

Резьбовые фильтры для больших токов и напряжений (рис. 4е) широко применяют в источниках питания, системах зажигания, медицинской аппаратуре. Фильтры имеют электрическую схему C, L-C, Piили T, емкость до нескольких микрофарад и эффективно подавляют электромагнитные помехи в диапазоне частот от 1 МГц до 18 ГГц. Герметичность фильтров обеспечивает их применение в агрессивных средах. Рабочий диапазон температур: 55…+125 °С.

Миниатюрные «глазковые» фильтры это керамические фильтры с тонкостенной втулкой на наружной поверхности для крепления в корпус изделия. Компании Corry Micronics и Oxley выпускают серии таких фильтров с электрической схемой С и Pi. Фильтры имеют емкость до 5000 пФ и рассчитаны на ток до 10 А. Рабочий диапазон температур: 55…+85 °С и 55…+125 °С.

Фильтры всех типов выпускают в соответствии с требованиями стандартов MIL-F-15733 и MIL-F-28861.

Основные параметры фильтров

К основным параметрам фильтров с разными электрическими схемами относятся:

вносимое затухание (insertion loss);
электрическая емкость (capacitance);
рабочий ток (current rating, rated current);
рабочее напряжение (voltage rating, working voltage);
сопротивление изоляции (insulation resistance);
герметичность (hermetic);
рабочий диапазон температур (temperature range, operating temperature).

Вносимое затухание

Вносимое затухание рассчитывают в децибелах как отношение напряжений помехи на нагрузке без фильтра ( U1) к напряжению ( U2) с включенным фильтром:

Например, если U1= 100 мВ, а U2= 1 мВ, то αдБ= 20×lg(100/1) = 40 дБ.

Следует подчеркнуть, что вносимое затухание 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 отличается от измеренной [1]:

где ZИ и ZH сопротивления соответственно источника и нагрузки, Ом; Zn сопротивление линии передачи, Ом, определяемое по графику (рис. 5).

Например, если ZИ= 100 Ом, ZН= 50 Ом, а величина вносимого затухания фильтра равна 50 дБ на частоте 100 МГц при измерении в 50-омной схеме, Zn= 0,08 Ом, то и αэфф(дБ):

Это обстоятельство следует учитывать при сравнении параметров отечественных фильтров, вносимое затухание которых определяют в 75-омной измерительной схеме, с зарубежными фильтрами.

Вносимое затухание фильтров с разными электрическими схемами зависит от частоты. Сравнение частотных зависимостей вносимого затухания фильтров, построенных на основе разных электрических схем, показывает, что эффективность подавления электромагнитных помех возрастает в последовательности C, L-C, T, Pi-схемы [1]. Зарубежные компании приводят величины вносимого затухания на определенных частотах, например 10, 100, 300 МГц, 1 и 10 ГГц. Величину вносимого затухания отечественных фильтров обычно приводят как среднее значение в заданном диапазоне частот. Это обстоятельство следует учитывать при сравнении отечественных и зарубежных фильтров.

Важным параметром фильтра является частота среза (cut-off frequency) частота, на которой вносимое затухание фильтра равно 3 дБ. Она определяет нижнюю границу частотного диапазона подавления помех. Частота среза зависит от электрической емкости фильтра.

Электрическая емкость

К основным характеристикам фильтра относится величина его электрической емкости. Емкость определяет все основные параметры фильтра: частоту среза, ширину полосы перехода, уровень вносимого затухания в полосе задержания. Чем больше величина электрической емкости, тем меньше частота среза, ширина полосы перехода и тем выше уровень вносимого затухания. Емкость 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 [1].

Рабочий ток и рабочее напряжение

Это номинальные параметры, указанные в технической документации, при которых фильтр может работать в заданных условиях в течение срока службы. При температуре от 105 до 125 °С максимальный ток должен быть снижен до величины 60% от величины номинального тока. Номинальное напряжение переменного тока определено для работы фильтра при температуре менее 125 °С и частоте до 400 ГГц.

Сопротивление изоляции

Сопротивление изоляции это электрическое сопротивление изоляции между корпусом и выводом фильтра, измеренное при определенном напряжении. Оно определяет ток утечки фильтра. Величина сопротивления изоляции зарубежных фильтров от 500 МОм до 1 ГОм.

Герметичность

Само понятие «герметичность» без указания величины скорости натекания гелия (или другого газа) через фильтр не имеет практического смысла. Известны 3 уровня герметичности [1]:

Герметичность не регламентируется и поэтому не гарантируется. Это относится ко всем фильтрам, герметизированным компаундами.
Скорость натекания (1,3×10 6 …1,3×10 7 )м 3 ⋅Па/с средний уровень герметичности. Такой уровень обеспечивают, например, пластмассовые корпуса микросхем. Фильтры среднего уровня герметичности нежелательно применять в надежных герметизированных изделиях с большим сроком сохраняемости. Они предназначены для изделий менее ответственного назначения или кратковременного действия.
Скорость натекания (1,3×10 9 …1,3×10 11 ) м 3 ⋅Па/с высокий уровень герметичности (вакуумная плотность) фильтра. Герметичность обеспечивается за счет внутреннего металлостеклянного спая. Такую скорость натекания определяют масс-спектрометрическим методом при помощи гелиевого течеискателя. Фильтры этого уровня герметичности необходимы для применения в герметизированной аппаратуре высокой надежности.

Рабочий диапазон температур

Рабочий диапазон температур зарубежных фильтров: 55…+85 °С и 55…+125 °С. Температура существенно влияет на электрическую емкость конденсатора, а значит, и на параметры поглощения фильтра.

Монтаж фильтров в изделия

Керамический конденсатор и изоляция фильтра могут быть повреждены при нарушении технологии монтажа фильтра в изделие. Поэтому, выбирая фильтры, необходимо ознакомиться с рекомендациями компании по их монтажу. Они сводятся к следующему:

Монтажные отверстия в корпусе или панели изделия должны иметь форму и размеры в соответствии с data sheet на данный тип фильтра.
Момент вкручивания в корпус изделия резьбовых фильтров не должен превышать величин, рекомендуемых компанией-изготовителем (табл. 4). Запрещается применять для вкручивания фильтра плоскогубцы, струбцины и другой сдавливающий инструмент.
Следует избегать скручивания и изгиба выводов фильтров. Если есть необходимость обрезать вывод, это нужно выполнять до монтажа фильтра в изделие.
Скорость нагрева при пайке не должна превышать 3 °С/c. Пайку фильтров большинства типов рекомендуется производить оловянно-свинцовым эвтектическим припоем (аналогичным отечественному припою ПОС-61 с температурой плавления 183 °С). При пайке паяльником температура его жала не должна превышать 270 °С, время пайки должно быть 35 с. По возможности следует применять теплоотвод от корпуса фильтра. Необходимо также учитывать, что в настоящее время зарубежные фирмы при изготовлении фильтров гражданского назначения перешли на бессвинцовую технологию в соответствии с европейской директивой RoHS (Restriction of Hazardous Substances), введенной в действие с июля 2006 года. Согласно этой директиве пайку фильтров следует производить бессвинцовыми припоями (SAC) состава олово-медьсеребро (SnCuAg). Эти припои имеют температуру плавления более чем на 30 °С выше, чем у стандартного припоя со свинцом. Фильтры, изготовленные по бессвинцовой технологии, имеют специальное обозначение. Так, компания Corry Micronics к обозначению таких фильтров добавляет суффикс «С». Например, обозначение фильтра FT 10005-103 Z выглядит как FT 10005-103 Z/С. На изделия военного назначения директива RoHS не распространяется.
Фильтры для поверхностного монтажа необходимо устанавливать на контактные площадки (pad, track) печатной платы. Геометрия и размеры контактных площадок приведены в data sheet на фильтры конкретных типов. Компании обычно дают подробные рекомендации по выбору припоя и температурному режиму пайки фильтров на печатную плату.

Указанные рекомендации следует учитывать и при монтаже отечественных фильтров, естественно, с коррекцией на температурный режим пайки.

Тип резьбы на корпусе фильтра Максимальная величина момента вкручивания по данным компаний, нм Spectrum Control Oxley Syfer 440 UNC, М2,5××0,45, М3××0,5 0,17 0,20 0,15 632 UNC, M3,5××0,6 0,34 0,200,30 0,18 832 UNC, M4××0,5 0,45 0,200,30 0,25 1232 UNC, M5××0,5 0,68 0,300,40 0,30 1/428 UNF, М6××0,75 0,79 0,50 Заключение

Для обеспечения оптимальных параметров разрабатываемой аппаратуры необходимо правильно выбрать зарубежный фильтр и обеспечить его монтаж, используя соответствующий инструмент.

Важным показателем при выборе фильтра является его цена. Стоимость фильтров высокой надежности американских и европейских фирм выше, чем фильтров азиатских производителей. Однако для сложных многофункциональных устройств СВЧ, особенно военного назначения, необходимо применять фильтры, имеющие высокий уровень параметров и надежность, и экономия на фильтрах недопустима.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎