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12-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Filtertechnologie

Filtertechnologie diskrete Filter SAW-Filter Keramik-Filter Quarz-Filter BAW-Filter Hohlleiter-Filter Haupteinsatzbereich alle Filterarten Bandpass Bandpass/Bandsperre Bandpass Bandpass Bandpass, Bandsperre Frequenzbereich DC bis GHz 10 MHz bis 2 GHz kHz bis GHz kHz bis GHz 1 bis 20 GHz 1 GHz bis 1 THz Bandbreite Design-abhängig einige MHz etwa 1% der Resonanszfrequenz gering einige MHz gering Steilheit Eher niedrig hoch hoch sehr hoch hoch hoch Einfügedämpfung Design-abhängig gering gering gering gering Sehr gering Temperaturstabilität Design-abhängig mittel sehr hoch Hoch sehr hoch stabil Baugröße Klein bis mittel sehr klein klein klein sehr klein groß Leistung gering bis mittel gering gering gering gering gering bis sehr hoch (Kilowatt) Kosten hoch niedrig Niedrig bid mittel niedrig niedrig Leistungsabhängig/hoch Eigenschaften der verschiedenen Filtertechnologien im Überblick Bild 3: Verschiedene Filterbauformen in SMD-Technik, Bild: Mini-Circuits Inc über BNC-, N- oder SMA-Steckverbinder oder andere Möglichkeiten. Vierter Schritt: Technologie Eigentlich lässt sich anhand der bisher genannten Kriterien ein geeignetes Filter auswählen. In einigen Fällen ist es aber auch hilfreich sich von vornherein auf eine bestimmte Filtertechnologie zu konzentrieren, da die unterschiedlichen Technologien gewisse Vorteile bieten und Einschränkungen aufweisen. Im einfachsten Fall ist ein diskretes Filter aus einer Kombination von Kondensatoren und Induktivitäten aufgebaut. Speziell für Hochfrequenzanwendungen gibt es eine Reihe von anderen Filtertechnologien, hierzu gehören beispielsweise Quarzfilter, Filter mit keramischen Resonatoren, SAW- und BAW-Filter sowie Hohlleiterfilter. Filter aus Keramik oder Quarzkristallen nutzen die Resonanzfrequenz einer mechanischen Komponente und lassen sich relativ kostengünstig herstellen. Filter aus Quarzkristallen zeichnen sich durch eine sehr schmale Durchlasskurve mit genauer Durchlasscharakteristik und engen Toleranzen aus. Sie sind zudem kleiner als diskrete LC-Filterschaltungen. Bei SAW-Filtern (Surface Acoustic Wave - auch AOW = Akustische Oberflächenwellenfilter) werden die elektrischen Signale zuerst in mechanische Oberflächenschwingungen und anschließend zurück in elektrische Signale gewandelt. Die mechanischen Wellen laufen auf der Oberfläche des Bauteils, wobei sich bestimmte Signale durch Interferenz auslöschen, was einen Filtereffekt zur Folge hat. Mit dieser Filtertechnologie lassen sich wesentlich höhere Mittenfrequenzen als mit Keramik- und Bild 4: Hohlleiterfilter mit keramischem Kern von Ricci Microwave (Bild: Ricci Microwave Co., Ltd.) Quarzfilter erreichen. Da man diese Filter in großen Stückzahlen auf Wafern herstellen kann, sind sie sehr kostengünstig. Aufgrund des strukturellen Aufbaus sind sie allerdings nur für Frequenzen bis etwa 2 GHz geeignet und zudem empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Es gibt allerdings auch - deutlich teurere - temperaturkompensierte Typen (TC-SAW). BAW-Filter (Bulk Acoustic Wave) arbeiten ähnlich wie SAW-Filter, nur läuft die mechanische Welle hier nicht nur an der Oberfläche, sondern es schwingt das gesamte Substrat, da es sich hier um „Dickenschwinger“ handelt. Sie bieten bessere elektrische Eigenschaften, sind temperaturstabiler, dafür aber teurer als SAW-Filter. Sie wer­ den bevorzugt für Frequenzen oberhalb von 1,5 GHz eingesetzt. Kleinere Hohlleiterfilter lassen sich zum Beispiel aus einem Keramikkern mit einem leitenden Überzug herstellen (Bild 3). Hohlleiterfilter für höhere Leistungen können dielektrische Resonatoren enthalten. Der Abgleich erfolgt meist auf mechanischen Weg, beispielsweise durch Stellschrauben oder spezielle Abgleichelemente. Diese Filter sind im Allgemeinen relativ groß und damit für mobile Anwendungen weniger geeignet. Fazit Wenn geeignete Filter nicht verfügbar sind, lassen sich auch mehrere gleichartige Filtertypen kombinieren. Durch Reihenschaltung eines Hochpass- und eines Tiefpass-Filters ergibt sich beispielsweise ein Bandpass. Für Sonderanwendungen gibt es sogar programmierbare SMD-Filter, bei denen der Frequenzbereich eingestellt werden kann. Für gängige Anwendungsbereiche, wie GSM, LTE, GPS oder kommerzielle Funksysteme, bietet municom Standardprodukte von meist mehreren Herstellern an, die genau auf die jeweiligen HF-Anforderungen zugeschnitten sind, was die Auswahl deutlich vereinfacht. Bild 5: Filter mit Koaxialen Resonatoren, Bild: G-Way Microwave 8 hf-praxis 12/2016

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