Diseñe un filtro de paso bajo de 1 GHz

Quiero diseñar un filtro de paso bajo de 1 GHz. He intentado encontrar un filtro de paso bajo COTS en frecuencias tan altas, pero no puedo encontrar uno.

Por lo tanto, he decidido diseñar uno usando líneas microstrip. Entonces, ¿alguien puede guiarme a través del proceso de diseño de filtros basados ​​en microcintas? o sugerir alguna otra forma alternativa de lograr este filtro? No pude encontrar un buen tutorial en línea para el mismo. Si tal tutorial existe, por favor dame el enlace.

Requisitos para el filtro:

  1. Respuesta de banda plana en todo el rango de frecuencia de 1 GHz con una ondulación de menos de 2-3 dB.
  2. Banda de transición inferior a 50 MHz.
  3. Atenuación en la banda de rechazo de al menos 15 dB.
  4. La atenuación en la banda de paso es como máximo de 2 dB.
  5. La intensidad de la señal de entrada en la banda de paso está en el rango de -10 dBm a -30 dBm.

Tenga en cuenta que no soy muy estricto con las condiciones anteriores, pero este es aproximadamente el tipo de filtro que necesito.

Editar-1

Este es el espectro de frecuencia de mi señal de entrada. Quiero retener la información que está presente en un rango de frecuencia de hasta 1 GHz. Como notará, la señal ya es débil en frecuencias más altas, por lo que la atenuación requerida en frecuencias más altas es mucho menor.

Espectro de frecuencia de la señal de entrada

Tenga en cuenta que la fotografía se tomó con una cámara muy mala, pero el espectro es de 0 a 4,5 GHz y, por lo tanto, 450 MHz/división en el eje x. La referencia para las medidas en dB es 20 dBm y cada unidad en el eje y es 10dB.

Intenta ajustar el "enfoque" de tu cámara.
He explicado las dimensiones/detalles debajo de la fotografía. Si algo no está claro, por favor hágamelo saber.

Respuestas (2)

No puedo responder esto con autoridad, pero mi instinto me dice que su especificación será "muy difícil".

En particular, su banda de transición de 50 MHz es de solo 0,02 décadas a 1 GHz, por lo que está buscando una caída de 714 dB/década entre el borde de la banda de paso y la banda de rechazo. Lo que implica algo así como un filtro de 71 polos, que requiere 71 elementos activos.

Como referencia, esto es lo que se puede hacer con una cantidad razonable de elementos:ingrese la descripción de la imagen aquí

(Gráfico de la Guía de la aplicación de TI " Op-Amps for Everyone ") El gráfico está en términos de "frecuencia normalizada", lo que significa que puede escalar los elementos del filtro de tal manera que una frecuencia de "1" en el gráfico corresponda a cualquier frecuencia que elijas, por ejemplo 1 GHz en tu caso.

A frecuencias más bajas, normalmente construimos filtros multipolares conectando en cascada secciones activas de 1 y 2 polos para obtener la respuesta deseada.

A 1 GHz, es posible que solo pueda hacerlo usando amplificadores de rf para amortiguar entre etapas. Pero lo más probable es que se quede atascado recurriendo a técnicas más antiguas de construcción de una escalera LC para obtener una aproximación de la respuesta que desea. El problema con esta técnica es que tiende a hacer que la respuesta del filtro sea más sensible a pequeñas variaciones en los valores de los componentes, causadas por diferencias de fabricación o sensibilidades de temperatura.

Al usar elementos de microcinta, es posible que tenga menos problemas con la variabilidad de L y C, pero es probable que descubra que el rango de valores de L y C requerido está fuera de lo que se puede construir con sensatez en microcinta. Además, mi experiencia (muy limitada) sugiere que los filtros microstrip probablemente solo sean efectivos en un rango de frecuencia de octava. Entonces, si desea un LPF de 1 GHz, es posible que obtenga una banda de bloqueo no deseada por debajo de 500 MHz, o una banda de paso no deseada por encima de 2 GHz. En cualquier caso, no desea lanzarse al diseño de filtros microstrip sin tener acceso a algún tipo de herramienta CAD razonable. Me vienen a la mente los ADS de Agilent o Genesys. Genesys sería particularmente útil para usted, si puede acceder a él, ya que proporciona herramientas especiales para generar diseños de filtro con una especificación como la que proporcionó en su pregunta.

Por supuesto, también es posible una combinación de elementos agrupados y microtiras.

Editar: un enfoque de diseño razonable sería usar una herramienta como Matlab u Octave para ver qué tipo de filtro (Butterworth, Chebychev, etc., y cuántos polos) puede acercarse a cumplir con sus requisitos. Si tiene acceso a una buena biblioteca, busque un libro con un título como "manual de diseño de filtros". Esto le dará tablas de búsqueda para las ubicaciones de polos y ceros de varios tipos de filtros de diferentes órdenes. Esto hará que sea "fácil" calcular la respuesta incluso si no tiene una herramienta de alto precio como Matlab con la caja de herramientas adecuada para obtener los parámetros de filtro del software.

Luego, una vez que sepa dónde quiere sus polos y ceros, use una herramienta como ADS, Genesys o incluso SPICE para diseñar un filtro usando elementos L y C reales para crear la respuesta matemática que optimizó en Matlab. Luego, asegúrese de hacer un análisis de sensibilidad para asegurarse de que la respuesta se mantenga dentro de las especificaciones bajo la variación normal de las características de la pieza. Finalmente, según los valores de L y C que obtenga, decida si desea implementar algunos o todos esos elementos en microstrip en lugar de con componentes discretos. Si decide usar microststrip, use una herramienta de diseño de rf como ADS o Genesys (esas son solo dos herramientas que he usado yo mismo, pero hay otras que podrían hacer esto) para simular y optimizar el diseño de microstrip para lograr el comportamiento quieres.

Otra nota tardía: puede ver en el gráfico que para un filtro Chebychev, la pendiente inmediatamente después del corte es más pronunciada que la pendiente final de la falda, por lo que mi declaración de necesitar un filtro de 71 polos probablemente sea demasiado fuerte. Sin embargo, está claro que necesita al menos 10 polos para cumplir con sus especificaciones, y hacerlo solo con pasivos es muy desafiante debido a las interacciones de etapa a etapa y las estrictas tolerancias requeridas en los valores de los componentes.

Muchas gracias por tu respuesta tan elaborada. Entiendo que sería difícil lograr una banda de transición tan pequeña. Entonces, he subido el espectro de frecuencia de mi señal como Edit-1. ¿La conexión en cascada de múltiples filtros no ayuda a lograr un mejor filtrado? Puedo usar amplificadores para aumentar la señal si la señal (dentro de 1 GHz) se atenúa.
@NeelMehta, sí, la conexión en cascada de varios filtros puede ayudar, que es en realidad lo que dijo Photon en el primer párrafo, aunque estaba escrito en jerga. Dijo que vas a necesitar algo como un filtro de 71 polos. Esto se puede traducir aproximadamente a 71 filtros básicos de paso bajo. Un solo filtro puede tener muchos más polos que uno, pero un filtro RC es un filtro de un polo. Sin embargo, el punto es pensar en cuántos filtros son y la complejidad requerida. Esta es una de las razones por las que el filtrado digital es tan popular cuando se puede usar, es muy fácil tener 71 puntos de datos en la mayoría de los casos.
@thePhoton, para los filtros microstrip, diría que esto sería complicado en el mejor de los casos. A 1 Ghz, cualquier filtro de paso bajo que he diseñado ha sido demasiado torpe para vencer a un filtro de componentes agrupados. No quiere decir que no crea que su consejo sea bueno. Probablemente lo sepa, pero quería mencionarlo para las multitudes en general.
@NeelMehta, sí, la conexión en cascada puede mejorar la respuesta del filtro. Pero 1. Si no realiza un búfer entre las etapas, las etapas en cascada comienzan a interactuar entre sí debido a que no mantienen una impedancia de entrada de 50 ohmios (o lo que sea) en la banda de rechazo. 2. Múltiples etapas de Chebychev (por ejemplo) pueden lograr una mayor pérdida en la banda de rechazo, pero a costa de una mayor ondulación en la banda de paso, lo que eventualmente hará que pierda su especificación de ondulación. Como mencioné, por supuesto, puede usar múltiples filtros en cascada de 1 y 2 polos que funcionan juntos para formar un filtro multipolar deseado.
@NeelMehta, agregar amplificadores ayudará (notará que sigo mencionando la necesidad de almacenamiento en búfer entre etapas en cascada), pero también recuerde que un amplificador no tendrá una ganancia perfectamente constante, y la ondulación del búfer consumirá su ondulación permitida para el diseño general del filtro.
Entonces, si relajo mis requisitos de ondulación, ¿entonces debería ser posible? En segundo lugar, ¿cuál crees que debería ser una buena forma de implementar el filtro a 1 GHz, usando LC o microstrip?
@NeelMehta, recomendaría usar el proceso que describí en mi edición. LC como primera opción, microstrip solo si es necesario y si tiene las herramientas adecuadas.

¿Te serviría un filtro de paso bajo coaxial? Es posible que desee consultar Procom, por ejemplo. También eche un vistazo a las respuestas a la pregunta Filtro de paso bajo de 100 W para obtener dibujos e información adicional.

Diseñe un filtro de paso bajo de 1 GHz
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