Как полосно-заграждающие фильтры устраняют сильные помеховые сигналы на заданных частотах

В быстро расширяющейся экосистеме беспроводной связи электромагнитный спектр становится всё более перегруженным. Одновременное развертывание сетей 5G, устройств Интернета вещей (IoT), спутниковой связи, радиолокационных систем и служб вещания делает совместное использование РЧ-спектра одной из наиболее критических задач для инженеров РЧ.

Одним из наиболее деструктивных явлений в этой среде является снижение чувствительности приёмника (или блокировка приёмника). Это происходит, когда сильный нежелательный сигнал на определённой частоте проникает в систему приёмника, вызывая насыщение малошумящего усилителя (LNA) или смесителя и делая приёмник неспособным обнаруживать более слабые полезные сигналы.

Для борьбы с этим радиочастотные инженеры используют высокопроизводительные решения для фильтрации. Среди них режекторный фильтр (также известный как полосно-заграждающий или полосно-отсекающий фильтр) выступает в роли хирургического инструмента. В данной статье рассматривается, как режекторные фильтры устраняют сильные помехи на конкретных частотах, раскрываются лежащие в их основе инженерные принципы, а также демонстрируется, как передовые полостные режекторные конструкции компании Jiaxing Ruishang Electronics Co., Ltd. (RSwave) решают критические задачи подавления помех в современных РЧ-системах.

Режекторный фильтр: хирургический спектральный инструмент

В отличие от полосового фильтра, который пропускает определённую полосу частот и ослабляет всё остальное, или от фильтров нижних/верхних частот, которые делят спектр по одной частоте среза, режекторный фильтр работает наоборот. Он пропускает почти все частоты с минимальными потерями, за исключением узкой, локализованной полосы частот, которую ослабляет до крайне низкого уровня.

Передача (дБ)
0 |-----------------\ /----------------- (Полоса пропускания)
| \ /
| \ /
| \ /
-50 |---------------------\--o--/--------------------- (Полоса задержки / Режекция)
| f0
+------------------------------------------------- Частота (Гц)

Основные параметры, определяющие режекторный фильтр:

1. Центральная частота (f0): Точная частота, при которой ослабление (подавление) максимально.
2. Глубина подавления (дБ): Уровень ослабления сигнала на частоте f0. В условиях сильных помех часто требуется глубина подавления от 40 дБ до 80 дБ и выше.
3. Потери в полосе пропускания (дБ): потери, возникающие у целевых сигналов за пределами заграждающей полосы. В идеале этот параметр должен быть как можно ближе к 0 дБ (обычно < 1,0 дБ в высококачественных резонансных фильтрах), чтобы избежать ослабления сигнала.
4. Добротность (Q-фактор): отношение центральной частоты к полосе пропускания на уровне −3 дБ (Q = f₀ / Δf). Более высокая добротность указывает на более узкую и чёткую заграждающую полосу, что позволяет фильтру подавлять помехи, расположенные очень близко к желаемому каналу связи, не затрагивая сам канал.

Как заграждающие фильтры подавляют помехи: принцип действия подавления

Чтобы понять, как заграждающий фильтр подавляет сильные помехи, необходимо рассмотреть его взаимодействие с цепью РЧ-сигналов.

Когда передатчик высокой мощности, создающий помехи, расположен вблизи чувствительного приёмника, внеполосные излучения или основная частота передатчика могут подавить приёмник. Даже если частота помехи находится вне рабочей полосы приёмника, при достаточной мощности сигнала входной каскад приёмника — малошумящий усилитель (LNA) — переходит в нелинейный режим (компрессию). Это приводит к искажениям интермодуляции (IMD) и резкому росту уровня шума приёмника.

[Антенна] --- [Полосно-заграждающий фильтр (RSwave)] --- [LNA / Входной каскад приёмника]
|
(Ослабляет сильный
сигнал-помеху на частоте f₀;
пропускает требуемую полосу)

Установка полосно-заграждающего ВЧ-фильтра непосредственно между антенной и входным каскадом приёмника изменяет входящий спектр:

• Отражение энергии помехи: полосно-заграждающий фильтр создаёт несогласование импедансов (высокий КСВН) на нежелательной частоте (f₀). Вместо того чтобы попасть в приёмник, энергия сигнала-помехи отражается назад или рассеивается внутри конструкции фильтра.
• Сохранение требуемых сигналов: на требуемых частотах фильтр обеспечивает согласованное сопротивление (обычно 50 Ом), позволяя сигналам проходить в LNA с пренебрежимо малым ослаблением.

Роль полостных режекторных фильтров в высокопроизводительных системах

Для требовательных промышленных, телекоммуникационных и оборонных применений стандартные сосредоточенные (LC) режекторные фильтры зачастую не соответствуют требованиям. LC-фильтры характеризуются более низкими добротностями, повышенными вносимыми потерями и ограниченной способностью рассеивать мощность.
Именно здесь полостные режекторные фильтры становятся необходимыми. Полостные фильтры используют резонансные металлические камеры для достижения исключительно высоких значений добротности.

Преимущества полостных конструкций :

• Исключительно высокая добротность: полостные резонаторы хранят электромагнитную энергию с минимальными потерями, обеспечивая чрезвычайно крутые скаты переходной области. Это позволяет инженерам размещать глубокий режекторный спад непосредственно рядом с защитной полосой.
• Низкие потери при включении: Благодаря серебряному покрытию внутренних поверхностей и использованию высокопроводящих металлов полосно-заграждающие резонансные фильтры минимизируют потери в полосе пропускания, сохраняя бюджет канала системы.
• Высокая мощность: Резонансные полости способны выдерживать уровни ВЧ-мощности от десятков ватт до нескольких киловатт без теплового пробоя или смещения настройки.

Практические применения: Ситуации, где полосно-заграждающие фильтры незаменимы

1. Устранение помех на совместно размещённых объектах (сотовая связь и службы общественной безопасности)

На совместно размещённых антенных объектах несколько передатчиков и приёмников используют одну и ту же физическую вышку или крышу здания. Например, передатчик служб общественной безопасности на частоте 450 МГц может легко вызвать снижение чувствительности соседнего LTE-приёмника. Полосно-заграждающий резонансный фильтр, точно настроенный на частоту передачи служб общественной безопасности, устанавливается на входе LTE-приёмника для устранения помех и обеспечения бесперебойного сотового покрытия.

2. Защита вещательных систем и телевизионных «белых пространств»

Высокомощные FM-передатчики (работающие в диапазоне от 88 МГц до 108 МГц) и УКВ-телевизионные станции генерируют мощную радиочастотную энергию. Беспроводные микрофонные системы, любительские радиостанции или узкополосные IoT-приёмники, расположенные поблизости, должны использовать режекторные фильтры для подавления этих сильных вещательных несущих частот.

3. Защита радаров и наземных станций спутниковой связи

Приёмники спутниковой связи, работающие в С-диапазоне (3,7 ГГц – 4,2 ГГц), всё чаще подвергаются помехам от вновь развернутых передатчиков 5G в С-диапазоне. Применение высокопроизводительных полостных режекторных фильтров позволяет наземным станциям блокировать частоты несущих сигналов 5G, одновременно принимая слабые спутниковые нисходящие линии связи.

Выбор и проектирование подходящего режекторного фильтра

Выбор подходящего режекторного фильтра требует тщательного учёта ряда электрических и механических характеристик:

В компании Jiaxing Ruishang Electronics Co., Ltd. (RSwave) мы специализируемся на проектировании, моделировании и производстве индивидуальных СВЧ-полостных фильтров, дуплексеров и режекторных фильтров. Используя передовое трёхмерное электромагнитное программное обеспечение для моделирования (HFSS) и прецизионную механическую обработку, RSwave создаёт фильтры, точно соответствующие заданным частотным характеристикам, обеспечивая оптимальное подавление помех при минимальном влиянии на соседние сигналы.

Заключение

По мере дальнейшего роста беспроводной инфраструктуры спектральное переполнение становится неизбежной реальностью. Сильные помеховые сигналы определённых частот не должны ухудшать производительность системы. Благодаря использованию точно спроектированных режекторных фильтров специалисты в области РЧ-технологий могут целенаправленно выделять и подавлять помеховые сигналы, защищая чувствительные приёмники и обеспечивая максимальную эффективность использования спектра.

Для сетей связи с высокой надёжностью выбор правильного партнёра по фильтрам имеет решающее значение. Компания Jiaxing Ruishang Electronics Co., Ltd. (RSwave) предлагает широкий ассортимент высокодобротных полосно-заграждающих фильтров с резонансными контурами, полосно-заграждающих фильтров и специализированных РЧ-компонентов, разработанных в соответствии с самыми строгими отраслевыми стандартами.

Чтобы ознакомиться со всеми нашими решениями в области РЧ-фильтрации, просмотреть технические описания продукции или обсудить требования к индивидуальному проектированию с нашей инженерной командой, посетите наш официальный сайт по адресу www.rswave.com .