滤波器电路：Pi过滤器和T过滤器

作者：Jon Gabay

滤波器电路用于从信号中去除不需要或不需要的分量。当将多个信号或频带耦合到/来自天线时，过滤和匹配阻抗的网络（例如 Pi 滤波器和 T 滤波器）是从 RF 收发器到天线的最后连接中的桥接器。这些电路不仅通过某些频带同时区分其他频带，它们还匹配阻抗并且可以允许双工和循环电路提供全双工双向通信。在设计射频部分时，很高兴知道我们的武器库中有这些部件。

本文将讨论这些滤波器如何拒绝或通过符合特定标准的频带以及允许通过同一路径进行多标准传输的频带。

硅的局限性

物理限制不允许单片硅实现高效的全范围性能。滤波器、衰减器、传输线、隔离屏障、浪涌抑制器等在硅中不能像在更大范围内由其他衬底材料构建时那样有效（至少目前还不能）。

例如，我们可以在单芯片芯片上的敏感级之间制作片上介电绝缘体。但是，随着电压尖峰幅度的增加，硅绝缘体的特性不能承受更高的电压。此外，除非我们在三个维度上进行绝缘，否则会在某个点发生电弧。这也适用于浪涌抑制。一个小区域可以消散、吸收或分流的能量只有这么多。

对于片上电容器，介电材料在硅方面的能力有限。无论是电荷存储还是时序相关，电容器都依赖于间距、面积和电介质的物理特性。如果没有高介电常数和面积，即使存在米勒效应，合适尺寸的电容器也可能无法在芯片上实现。

因此，现代射频级的许多最佳解决方案都依赖于外部组件来匹配硅输入/输出级特性与高效天线，并提供 EMI/RFI 保护以防止不受欢迎的来源。甚至 PCB 走线也充当组件（传输线）。虽然模拟器很好，但唯一真正衡量成功的标准是您可以测试和表征即将投入生产的完成设计。

选择和特点

单级滤波器可以通过四种方式之一来实现。这些包括扼流圈、R/C 滤波器、L/C 滤波器和 Pi/T 滤波器。这些可以组合成波形、区分或传递特定频率。

扼流滤波器是具有电磁磁阻的电感器或铁氧体磁珠（图 1）。它们也可以是鉴别射频阶段的有用部分。高频信号无法通过，并且在这些频率上看起来像电阻。Bourns FB20011-3B-RC等部件在给定频率下通过电阻进行额定，在这种情况下，100 MHz 时为 415 欧姆。在这种情况下，可以在将大功率发射器耦合到天线时使用分立部件。在传输阶段使用时，载流能力也是一个重要的额定值。

因此，扼流圈和共模扼流圈主要用于电源，但也可用作大功率射频收发器中的滤波器元件。例如，可以使用接收器电路共享双频天线，该接收器电路（部分）由一个扼流圈保护，该扼流圈不允许发射频率传回敏感的接收电路。共模扼流圈还可以阻止任何高功率感应信号回流到电路中，因为它会抑制共模信号。

图 1：简单的扼流圈可以去除信号的高频分量并恢复调制信号的直流或信号部分。
它们还可以保护靠近大功率发射器的本地接收器电路。

电容滤波器阻断交流并在整流后恢复直流电平，用于电源，但也可以与电阻器、扼流圈和电感器结合，以纯无源方式实现多极滤波器。这些 R/C 和 L/C 滤波器可以提供单极滤波器特性，可以通过菊花链方式创建具有更陡峭抑制曲线的无源多极版本。请注意，这些无源级也会衰减信号，因此需要放大才能将其恢复到可用范围。

总体而言，无源 R/L/C 滤波器的灵活性和性能以特殊方式与 Pi 和 T 滤波器相结合，以优化射频设计的性能。更重要的是，它们被集成到小型单封装设备中，可以轻松安装在现代 PCB 中的紧凑空间中。

Pi 过滤器和 T 过滤器

Pi 滤波器基本上是一个被两个电容器包围的电感器，排列方式类似于希腊字母 Pi。选择输入电容器以提供低电抗并排斥大部分干扰频率或频带以阻止。与其相反，T 滤波器使用两个并联电感器和一个耦合电容器。这些单级滤波器可以用作低通、高通、带通和带阻。

由于电容分流，Pi 滤波器在两端的高频处呈现非常低的阻抗。相反，由于电感耦合，T 型滤波器在高频下具有非常高的阻抗（图 2）。

图 2：低通 Pi 滤波器（左）可以接入射频传输路径，仅允许较低频率通过。相反，高通 T 滤波器（右）会阻挡较低频段并允许较高频率通过。这些部件可用于优化每个频段的性能并允许全双工操作。

RF 收发器可以使用 T 滤波器阻止共享或竞争频段，同时使用 Pi 滤波器清理和传递所需频率。在任何一种情况下，正确选择元件值都可以匹配两侧的阻抗，以最大限度地提高有源级、开关和天线之间的功率传输。

很多选择

几家优质制造商提供精心设计的Pi和T过滤器。当试图找到正确的部分时，这里的关键是一个好的参数搜索引擎。有这么多变数，很高兴能够缩小竞争范围。

虽然许多特定于应用的 Pi 滤波器是为音频、数据线和电源调节而设计的，但也有一些通用部件以及 RF 目标部件可用于无线设计。更重要的是，ESD 保护的集成让这些单片滤波器可以在同一物理空间中执行多项任务。

例如，考虑中心截止频率为 100 MHz 的Murata 8 低通 L/C Pi 滤波器。单三阶极性不敏感 0805 封装滤波器包括一个 135 nHenry 电感器和 44 pF 电容器，可以通过 200 mA 电流。

Murata EMIFIL NFL21SP 系列等一系列部件在选择正确的额定电流、电感、电容和中心频率以使您的收发器与天线匹配时提供了灵活性（表 1）。

表 1：一些供应商集中数据以帮助确定设计的最佳匹配。
在这里，L/C 值和截止值让设计人员可以选择与电路最匹配的部件。

以类似的方式，需要实现 100 mA L/CT 滤波器的单个 3 阶器件的设计人员可以利用TDK MEM2012S25R0T001。这款 3 端子 0805 封装低通 T 滤波器具有 25 MHz 中心/截止频率，在 70 MHz 至 2 GHz 范围内衰减 30 dB。此外，作为该公司MEM 系列3 端子滤波器的成员，从 25 到 200 MHz 的截止频率允许在 10 V 最大值时提供 100 和 250 mA 的功率水平（表 2）。其他系列成员的电流高达 1 A。

表 2：在特定系列中，频率参数的选择将提供具有不同 L/C 值的解决方案，
以希望与设计阶段相匹配。单独的表格提供了内部使用的实际组件值。

最终，确定设计性能的最佳方法是在配置中对其进行测试。您应该研究一些不错的工具 ，并且无线电收发器制造商通常也能够为您指出他们在参考设计中建议的特定组件。参数搜索引擎是帮助您找到正确过滤器的另一个宝贵设备。