滤波器在抗EMI中的应用及发展

随着科学技术的不断进步和人类生活水平的逐步提高,家电设备、移动式和个人携带式电子设备日益增多,于是各电子设备间的相互影响和干扰问题变得日趋严重和复杂化。IBM公司对计算机电源故障进行分析后认为,近90%的故障源于电磁干扰（EMI）;我国有关部门1994年对147家企业生产的不同型号汽车进行无线电干扰性能摸底检测,达标合格汽车仅占1/4。电磁干扰还威胁着人类的健康和安全,海德堡大学的生物学家研究发现,甚至连微弱的电磁辐射也会通过眼睛侵入大脑,给人们播下癌的种子,因此呼吁人们要警惕“带电磁的烟雾”。可见,EMI所造成的危害绝不逊于有形的污染。

----而今,如何降低甚至消除电子设备的EMI已成为全球电子信息业及消费者普遍关注的问题,世界上为此成立了无线电干扰国际特别委员会（CISPR）,美、德、日诸国也分别建立了专门组织FCC、VDE和电磁环境工程研究会,他们对电子仪器及测量设备的抗EMI性能要求越来越高,规定非经严格检验的产品不得出厂和上市。随着我国经济迈入国际范畴,电磁干扰（又称电磁噪声）问题已摆在我们面前。

----利用近年来发展的铁氧体——陶瓷叠层共烧技术,可以将若干个铁氧体叠层电感器和陶瓷叠层电容器集成在一起,经过共绕制构成截止特性锐敏的片式电磁干扰滤波器。根据电路特性选择适当的滤波器可以得到令人十分满意的抗EMI效果,特别适用于抑制数字电子设备及高速数据总线产生的噪声。EMI滤波器按构成元件可分为电感器、电容器、LC复合型滤波器和电容性可变电阻器四种;按构成元件材料及生产工艺的不同,则可分为陶瓷型、石英晶体型、介质型和声表面波型EMI滤波器;按具体用途又可分为电源线路用和信号线路用EMI滤波器两大类。下表列出了有代表性的几种EMI滤波器及其特点。

----LC复合型陶瓷滤波器是由铁氧体电感器L和陶瓷电容器C按不同组合形式构成的一类多功能产品,其中心频率、通带、振幅、延迟等特性可根据电路要求灵活设计,所适应范围相当宽,广泛应用于音、视频家电、通信及办公自动化设备的EMI抑制,但最初其频率较低、体积较大。进入90年代后,由于陶瓷叠层印刷技术的发展,国外先后开发出无绳电话用254MHz和380MHz带通滤波器、便携电话用700～950MHz滤波器、小功能对讲机用430MHz低通滤波器以及数字无绳电话用1.9GHz带通滤波器等LC复合型片式叠层陶瓷产品,其内藏屏蔽层抗干扰强,无需调整即可适应当前200MHz～1.5GHz高频化需求。今后的发展趋势是进一步高频化（2GHz以上）、微型化、组件化（内藏延迟线、多层谐振器、与滤波器一体化的放大器和混频器等）和低成本化。

----单片晶体滤波器（MCF）是在石英基片表面配置若干对金属电极而构成的带通或带阻滤波器。它利用压电效应的能陷入理论,选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间距控制超声波的声学耦合,从而达到滤波之目的。其特点是频率选择度十分陡峭、损耗低、稳定性好、阻带衰减高,现已在移动通信设备中大量使用,是必不可少的初级中频滤波器,对提高整机灵敏度和抗干扰能力有重要作用。国外MCF产品的实用化水平为中心频率数MHz～150MHz,带宽0.001～0.1%,频道间隔12.5～25kHz,最小封装尺寸为8×8×3.2mm,重仅0.4g。MCF的发展方向是开发新型压电材料、扩展带宽、减少带内延时波动、增大带外衰减、扩充和提高中频点及线性度、封装单片尺寸进一步小型化和片式化。

----利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点设计制作的EMI介质滤波器,由数个1/4波长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。其显著特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄,特别适合便携电话、汽车电话、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。国外生产最多的是800～1000MHz范围内的系列EMI介质滤波器,其技术指标为插损2～3dB,波纹小于1dB,电压驻波比约1.5,带外抑制在规定频段内可达20dB以上,一些特殊要求点可达60dB左右。滤波特性优良。其开发方向是采用新型介质材料和其它谐振模式,设计制作新型的微型化、片式化低插损、高衰减、高性能的EMI介质滤波器。

----声表面波（SAW）滤波器曾一度广泛用于工作在20MHz以上频段的次中频滤波。它在抑制电子设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰等方面起到了良好的作用。其特点是可灵活设计、模拟/数字兼用、群延迟时间偏差和频率选择特性优良、输入输出阻抗误差小。近年来已将SAW滤波器片式化,重约0.2g;另外由于采用了新的晶体材料和最新精细加工技术,致使SAW器件的使用上限频率提高到2.5GHz,这必将促进SAW滤波器在抗EMI领域获得更广泛的应用。低插损技术与片式化封装是这类EMI滤波器目前和今后一段时间内的研究开发方向。

表：有代表性的几类EMI滤波器

滤波器名称	典型特点及应用
无磁珠 三端电容器	无两端电容器的剩余电感,可除VHF噪声;适合抑制高阻抗电路中的噪声
磁珠电感器	能有效除去VHF、UHF噪声,可抽头自动插入;适合低阻抗接地等电路,除噪效果最佳
加磁珠的 三端电容器	三端电容器加磁珠电感元件的T型EMI器件,能有效除去VHF中的噪声;适用于低阻抗电路
Л型滤波器组	使用磁珠电感元件和穿心电容器的Л型滤波器阵,有二连和三连;适合高阻抗电路
四端结构型直流 电源EMI滤波器	计算机直流电源用大容量四端电容器与穿心电容器、磁珠电感元件组合而成的宽带器件,可高效除去电源输出端从450kHz～1GHz的噪声,另对共态噪声也有效
交流电源 EMI滤波器	一般由能够同时除去共模和常模两种模噪声的电路网络构成;兼有强的抗扰性和抗机内噪声发生两种功能;适合用于接交流电源的电子设备从低频到高频宽带范围内的除噪
信号线路 EMI滤波器	由于有陡直的衰减特性,特别适合有效信号频率与噪声接近的场合;宜用于RGB信号线路和数字电子设备等高速数字信号线路