一种新型RFI抗射频干扰滤波器的设计

张 超 王慧丽

（中国电子科技集团公司 第九研究所，四川 绵阳 621000）

1 引言

通讯产业在世界范围内得到了突飞猛进的发展，通讯频道在有限的范围内显得日益紧张。因此，在扩展频率的同时，充分利用好有限的频道，使各种通讯产品在有限的空间彼此共存，均能正常工作显得尤为重要。在欧美等许多国家和地区范围内制订了电磁兼容标准，要求所有的电子产品必须满足该标准，即在容许的范围内不得干扰别的电子产品正常工作，产品本身也不能被干扰。国内近年来也积极开展和推广电磁兼容标准，在制定并修订相关的国标和国军标的同时，也在加大其执行力度。如家电行业强制执行3C认证，电子工业行业执行GB60000系列标准，军工行业执行GJB151A等。

为了满足电磁兼容设计和检验，电子产品的设计必须能有效地抑制干扰源的发射及传导、切断其传播途径以及提高电子设备本身抗干扰的能力。本文拟通过对RFI抗干扰滤波器（也称馈通式滤波器）对射频干扰信号的抑制特性分析，讨论并设计一种不仅在频率为100kHz～10GHz范围内具有较高射频干扰抑制度，还具有结构安装方便、工作电流大、体积小等特点的RFI抗干扰滤波器，通过切断直流电源系统内外的辐射干扰途径并有效抑制传导干扰，进而大幅度提高系统的抗干扰能力。

2 工作原理

一般地，抗干扰滤波器也属于反射式的滤波器，即干扰信号不通过滤波器传导而是直接反射到源，和通常用于传输信号的滤波器在使用原理上正好相反：用于传输信号的滤波器需要与信号源处于最佳匹配状态，保证传输信号的顺利通过；而抗干扰滤波器则需要与信号源的阻抗处于最大失配状态，保证干扰信号无法传递。

按切比雪夫滤波器原型的衰减特性[1]来计算低通滤波器的衰减特性，可以得到抑制度大于60dB的结果，不过这都是在理想元器件下得到的。通常使用的电感、电容的实际等效模型如图 1、2 所示[2]。

图1 电感高频等效电路

图2 电容高频等效电路

从电感和电容的实际等效模型可以看出，当电感工作到一定的频率以后，会呈现电容特性，而电容则会呈现电感特性，从而使我们的设计达不到预期的效果。从我们需要抑制的干扰信号频率来看，图1中要集中解决减小等效电容项Cs的问题，图2中要集中解决减小等效电感L项的问题。所以在滤波器的结构设计和元件选择上都必须尽量满足这一理想条件才能达到预期的抑制效果。

3 RFI抗干扰滤波器的设计与试验

3.1 电感的设计

众所周知，电感的等效电容是由绕线的匝间电容形成。电感的无容设计首先要减少绕线匝数，那么是不是匝数越小匝间电容就越小，甚至就不存在等效电容了呢？当然不是，因为电感的输入和输出引脚间存在电场的耦合，这样势必也会形成等效的电容，如果能阻断输入与输出引脚之间的耦合途径，则减小等效电容甚至消除等效电容就能达到无容设计目的。因此在电感的输入与输出之间我们加上了接地无限平面，这样在结构上就解决了因为电场耦合而形成的等效电容的问题，结构设计如图3所示。

图3 电感结构

通过上面的措施，电感的等效电容基本消除，不仅如此，图1电感高频等效电路中的串联等效电阻RS也是有利于滤波器的干扰抑制，这一参数对电感材料的选取起到非常大的作用。 我们知道磁性材料的磁导率由 μ′和 μ″组成（即 μ=μ′+μ″），μ′提供电感量，μ″产生高频吸收，相当于高频电阻。所以我们应该选取μ′尽量高的磁性材料，用来提高图1中的L电感项，而选择μ″尽量高则可以提高图1中高频的RS项，这样的选取不仅直接地提高了高频串联阻抗，而且也达到了抑制干扰的目的。所以我们在电感的设计中对磁心的选择方法如下：根据软磁铁氧体材料阻抗公式即 Z=R+jX=ωL0μ″+ωL0μ′，选择 Z 尽量大且属于吸收型的软磁NiZnCu类型材料。

3.2 电容的设计

根据图2的等效电路，如果我们能有效地减小L的大小或者消除L，就能使电容工作在更高的频率。然而任何引脚的引线均会不同程度地引入高频的电感，若能配合产品的结构设计来消除高频电感，不失为减小L的一种捷径。所以在结构上，我们可以采用圆管电容，用圆管电容的内外两个壁形成电容的两个电极，若将外壁的电极直接焊接在图3的外壳上，那么图2的等效电路中的L就可以消除了，这样电容可以工作到极高的频率。图2中的等效电阻RS、Re则会带来电容的损耗，而在抗干扰滤波器中却并不会影响干扰信号的抑制作用。

为了增加滤波器的抑制陡度，我们采用管式双电容结构方式，如图4。

3.3 滤波器结构和仿真设计：

将图3的电感与图4的管式双电容结合在一起就形成馈通式滤波器的结构设计，外形如图5所示。通过Serenade 8.7软件对滤波器原型进行仿真，结果与理论推演基本吻合，达到了预期的效果，如图6所示。

图5 滤波器外形结构

图6 π型滤波器仿真曲线

4 结论

本文详细介绍了馈通式滤波器的设计过程，阐述了如何消除集总参数电感和电容的等效电容和电感的方法，适合于所有馈通式抗射频干扰滤波器的设计。在电容的选取上还可以采用多层的圆片穿心电容器，外电极与滤波器的壳体焊接在一起，也可以达到同样的效果，用以抑制较低射频干扰信号。但是在使用时必须利用模块的腔体将输入与输出完全隔离开，才能完全发挥其抑制射频干扰信号的能力。RFI馈通式抗干扰滤波器可广泛用于各种电子设备中，抑制100kHz～10GHz频率范围内的各种射频干扰，解决电磁兼容问题。

[1]甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计（上册）[M].北京：科学出版社，1973.1～62

[2]李振玉.高效率放大及功率合成技术（第1版）[M].北京：科学出版社，1985