濾波器在抗EMI中的應用及發展

名稱:濾波器在抗EMI中的應用及發展
隨著科學技術的不斷進步和人類生活水平的逐步提高，家電設備、移動式和個人攜帶式電子設備日益增多，於是各電子設備間的相互影響和干擾問題變得日趨嚴重和複雜化。IBM公司對計算機電源故障進行分析后認為，近90%的故障源於電磁干擾（EMI）；我國有關部門1994年對147家企業生產的不同型號汽車進行無線電干擾性能摸底檢測，達標合格汽車僅佔1/4。電磁干擾還威脅著人類的健康和安全，海德堡大學的生物學家研究發現，甚至連微弱的電磁輻射也會通過眼睛侵入大腦，給人們播下癌的種子，因此呼籲人們要警惕「帶電磁的煙霧」。可見，EMI所造成的危害絕不遜於有形的污染。
----而今，如何降低甚至消除電子設備的EMI已成為全球電子信息業及消費者普遍關注的問題，世界上為此成立了無線電干擾國際特別委員會（CISPR），美、德、日諸國也分別建立了專門組織FCC、VDE和電磁環境工程研究會，他們對電子儀器及測量設備的抗EMI性能要求越來越高，規定非經嚴格檢驗的產品不得出廠和上市。隨著我國經濟邁入國際範疇，電磁干擾（又稱電磁雜訊）問題已擺在我們面前。
----利用近年來發展的鐵氧體——陶瓷疊層共燒技術，可以將若干個鐵氧體疊層電感器和陶瓷疊層電容器集成在一起，經過共繞制構成截止特性銳敏的片式電磁干擾濾波器。根據電路特性選擇適當的濾波器可以得到令人十分滿意的抗EMI效果，特別適用於抑制數字電子設備及高速數據匯流排產生的雜訊。EMI濾波器按構成元件可分為電感器、電容器、LC複合型濾波器和電容性可變電阻器四種；按構成元件材料及生產工藝的不同，則可分為陶瓷型、石英晶體型、介質型和聲表面波型EMI濾波器；按具體用途又可分為電源線路用和信號線路用EMI濾波器兩大類。下表列出了有代表性的幾種EMI濾波器及其特點。
----LC複合型陶瓷濾波器是由鐵氧體電感器L和陶瓷電容器C按不同組合形式構成的一類多功能產品，其中心頻率、通帶、振幅、延遲等特性可根據電路要求靈活設計，所適應範圍相當寬，廣泛應用於音、視頻家電、通信及辦公自動化設備的EMI抑制，但最初其頻率較低、體積較大。進入90年代后，由於陶瓷疊層印刷技術的發展，國外先後開發出無繩電話用254MHz和380MHz帶通濾波器、便攜電話用700～950MHz濾波器、小功能對講機用430MHz低通濾波器以及數字無繩電話用1.9GHz帶通濾波器等LC複合型片式疊層陶瓷產品，其內藏屏蔽層抗干擾強，無需調整即可適應當前200MHz～1.5GHz高頻化需求。今後的發展趨勢是進一步高頻化（2GHz以上）、微型化、組件化（內藏延遲線、多層諧振器、與濾波器一體化的放大器和混頻器等）和低成本化。
----單片晶體濾波器（MCF）是在石英基片表面配置若干對金屬電極而構成的帶通或帶阻濾波器。它利用壓電效應的能陷入理論，選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間距控制超聲波的聲學耦合，從而達到濾波之目的。其特點是頻率選擇度十分陡峭、損耗低、穩定性好、阻帶衰減高，現已在移動通信設備中大量使用，是必不可少的初級中頻濾波器，對提高整機靈敏度和抗干擾能力有重要作用。國外MCF產品的實用化水平為中心頻率數MHz～150MHz,帶寬0.001～0.1%,頻道間隔12.5～25kHz,最小封裝尺寸為8×8×3.2mm,重僅0.4g。MCF的發展方向是開發新型壓電材料、擴展帶寬、減少帶內延時波動、增大帶外衰減、擴充和提高中頻點及線性度、封裝單片尺寸進一步小型化和片式化。
----利用介質陶瓷材料的低損耗、高介電常數、頻率溫度係數和熱膨脹係數孝可承受高功率等特點設計製作的EMI介質濾波器，由數個1/4波長型諧振器縱向多級串聯或並聯的梯形線路構成。其顯著特點是插入損耗孝耐功率性好、帶寬窄，特別適合便攜電話、汽車電話、無線電台、無繩電話以及一體化收發雙工器等的級向耦合濾波。國外生產最多的是800～1000MHz範圍內的系列EMI介質濾波器，其技術指標為插損2～3dB,波紋小於1dB,電壓駐波比約1.5,帶外抑制在規定頻段內可達20dB以上，一些特殊要求點可達60dB左右。濾波特性優良。其開發方向是採用新型介質材料和其它諧振模式，設計製作新型的微型化、片式化低插損、高衰減、高性能的EMI介質濾波器。
----聲表面波（SAW）濾波器曾一度廣泛用於工作在20MHz以上頻段的次中頻濾波。它在抑制電子設備高次諧波、鏡像信息、發射漏泄信號以及各類寄生雜波干擾等方面起到了良好的作用。其特點是可靈活設計、模擬/數字兼用、群延遲時間偏差和頻率選擇特性優良、輸入輸出阻抗誤差校近年來已將SAW濾波器片式化，重約0.2g;另外由於採用了新的晶體材料和最新精細加工技術，致使SAW器件的使用上限頻率提高到2.5GHz,這必將促進SAW濾波器在抗EMI領域獲得更廣泛的應用。低插損技術與片式化封裝是這類EMI濾波器目前和今後一段時間內的研究開發方向。
表：有代表性的幾類EMI濾波器
濾波器名稱典型特點及應用
無磁珠
三端電容器無兩端電容器的剩餘電感，可除VHF雜訊；適合抑制高阻抗電路中的雜訊
磁珠電感器能有效除去VHF、UHF雜訊，可抽頭自動插入；適合低阻抗接地等電路，除噪效果最佳
加磁珠的
三端電容器三端電容器加磁珠電感元件的T型EMI器件，能有效除去VHF中的雜訊；適用於低阻抗電路
Л型濾波器組使用磁珠電感元件和穿心電容器的Л型濾波器陣，有二連和三連；適合高阻抗電路
四端結構型直流
電源EMI濾波器計算機直流電源用大容量四端電容器與穿心電容器、磁珠電感元件組合而成的寬頻器件，可高效除去電源輸出端從450kHz～1GHz的雜訊，另對共態雜訊也有效
交流電源
EMI濾波器一般由能夠同時除去共模和常模兩種模雜訊的電路網路構成；兼有強的抗擾性和抗機內雜訊發生兩種功能；適合用於接交流電源的電子設備從低頻到高頻寬頻範圍內的除噪
信號線路
EMI濾波器由於有陡直的衰減特性，特別適合有效信號頻率與雜訊接近的場合；宜用於RGB信號線路和數字電子設備等高速數字信號線路