Die Entwicklung eines Bandsperrfilters (auch Notchfilter genannt) für Hochfrequenzanwendungen erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Frequenzbereich, Sperrtiefe, Schaltungstopologie und dem realen Komponentenverhalten bei HF-/Mikrowellenfrequenzen. Nachfolgend finden Sie eine strukturierte Vorgehensweise zur Entwicklung eines solchen Filters.

1. Wichtige Spezifikationen definieren

Mittenfrequenz (f₀): Die zu unterdrückende Frequenz (z. B. 2,4 GHz bei WLAN-Störungen).

Bandbreite (BW): Der Bereich der zu dämpfenden Frequenzen (z. B. ±100 MHz um f₀).

Sperrtiefe: Gewünschte Dämpfung im Sperrbereich (z. B. > 30 dB).

Impedanzanpassung: Typischerweise 50 Ω (HF-Systeme) oder 75 Ω (Video/Telekommunikation).

Einfügungsverlust im Durchlassbereich: Minimieren Sie den Signalverlust außerhalb des abgelehnten Bandes.

2. Wählen Sie eine Filtertopologie

A. LC-Resonanzkreise (geeignet für MHz bis niedrige GHz)

Serie LC Notch:

Blockiert Signale bei Resonanz (hohe Impedanz bei f₀).

Am besten für Schmalbandunterdrückung.

Parallele LC-Kerbe:

Leitet unerwünschte Signale bei f₀ zur Erde ab.

Nützlich in Shunt-Stub-Konfigurationen.

Einschränkungen: Parasitäre Kapazität/Induktivität beeinträchtigt die Leistung bei hohen Frequenzen.

B. Übertragungsleitung / Verteilte Filter (GHz-Bereich)

Viertelwellen-(λ/4)-Stichfilter:

Offene oder kurzgeschlossene Stichleitungen erzeugen Impedanzfehlanpassungen bei f₀.

Beispiel: Ein paralleler offener Stichleiter weist Signale bei λ/4-Resonanz zurück.

Defekte Bodenstruktur (DGS):

Geätzte Muster auf der PCB-Massefläche wirken als Bandstoppelement.

Vorteil: Bessere Leistung bei Mikrowellenfrequenzen (z. B. 5G, Radar).

C. Aktive Kerbfilter (für niedrigere Frequenzen, <100 MHz)

Verwendet Operationsverstärker mit Rückkopplungsnetzwerken (z. B. Twin-T, Wien-Brücke).

Bei höheren Frequenzen durch die Bandbreite des Operationsverstärkers begrenzt.

3. Auswahl der Hochfrequenzkomponenten

Induktoren (L):

Verwenden Sie Luftkern- oder High-Q-HF-Induktoren, um Verluste zu minimieren.

Vermeiden Sie Ferritkerne im GHz-Bereich (hohe parasitäre Kapazität).

Kondensatoren (C):

NP0/C0G-Keramik- oder HF-Kondensatoren für Stabilität.

Minimieren Sie die äquivalente Serieninduktivität (ESL).

Überlegungen zum PCB-Layout:

Kurze Leiterbahnen zur Reduzierung der parasitären Induktivität.

Verwenden Sie Masseflächen und Leitungen mit kontrollierter Impedanz.

4. Designbeispiel (LC-Parallel-Notch-Filter für 2,4 GHz)

Berechnen Sie L & C für die Resonanz bei f₀:

Beispiel: Wählen Sie für 2,4 GHz L = 2,2 nH, dann C ≈ 2 pF.

Platzieren Sie den LC im Shunt (parallel) zum Signalpfad.

Bei 2,4 GHz erzeugt der LC-Tank einen niederohmigen Pfad zur Erde und dämpft so das Signal.

Simulieren und optimieren (z. B. in Keysight ADS oder Ansys HFSS):

Berücksichtigen Sie parasitäre Effekte auf der Leiterplatte (Leiterbahninduktivität, Via-Effekte).

5. Validierung und Tuning

Messen Sie mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA):

Überprüfen Sie S21 (Übertragung) auf Ablehnungstiefe.

Überprüfen Sie S11 (Reflexion) auf Impedanzanpassung.

Anpassungen:

Optimieren Sie L/C-Werte oder Stub-Längen für optimale Leistung.

Zentrale Herausforderungen im Hochfrequenzdesign

Parasitäre Einflüsse: Streukapazität/-induktivität verschiebt f₀.
Bauteiltoleranzen: Verwenden Sie hochpräzise Teile.
Thermische Drift: Wählen Sie stabile Materialien (z. B. NP0-Kondensatoren).

Abschließende Empfehlung

Für < 500 MHz: LC-Filter sind praktisch.

Für GHz+-Frequenzen: Verwenden Sie Stub-Filter oder DGS für eine bessere Leistung.

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