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一、為什么需要在PCB中設(shè)計帶阻濾波器

隨著無線通信、高速信號傳輸、汽車?yán)走_(dá)和醫(yī)療電子等系統(tǒng)的發(fā)展，電子設(shè)備對電磁干擾（EMI）和信號完整性的要求越來越高。尤其在多頻段系統(tǒng)中，某些頻率往往帶來不希望出現(xiàn)的干擾。例如：

• 雷達(dá)信號會受到Wi-Fi或LTE信號干擾；

• 音頻電路會受某些高頻開關(guān)電源影響；

• 模擬前端會對特定頻點特別敏感。

這些問題通常無法靠簡單的地線處理或屏蔽來解決，而需要引入電路級的濾波結(jié)構(gòu)。帶阻濾波器（Band Stop Filter, BSF）就是針對特定頻段進(jìn)行衰減的有效手段。它可以屏蔽掉選定頻率范圍內(nèi)的信號，同時保留其他頻段的正常傳輸。

在高速數(shù)字PCB或RF PCB中，將濾波器直接集成到PCB層內(nèi)，有助于提升性能，降低體積，減少器件數(shù)量，并減輕裝配負(fù)擔(dān)。在四層PCB中，合理布局帶阻濾波器，既可以兼顧信號通道，也能減少寄生效應(yīng)。

二、帶阻濾波器的基本原理

帶阻濾波器是指能強烈衰減某一頻段內(nèi)信號的電路。它有兩種基本構(gòu)成方式：

• 使用電感、電容構(gòu)成的無源LC結(jié)構(gòu)；

• 使用微帶線、開口諧振器等構(gòu)成的分布參數(shù)結(jié)構(gòu)。

它的工作原理是：在某個中心頻率附近形成高阻抗或短路，使該頻率段的信號無法通過，從而實現(xiàn)帶阻效果。

一個典型的LC帶阻濾波器由串聯(lián)的諧振支路（LC并聯(lián)）與主信號線相連。當(dāng)輸入信號頻率與諧振器的自然頻率一致時，會出現(xiàn)極低的阻抗或極高的阻抗，使信號反射或吸收。

在PCB設(shè)計中，濾波器結(jié)構(gòu)可分為以下幾類：

1. 表貼式LC帶阻網(wǎng)絡(luò)；

2. 微帶開槽諧振結(jié)構(gòu)；

3. 平面倒F型帶阻結(jié)構(gòu)；

4. 同軸或表面微帶諧振結(jié)構(gòu)。

每種結(jié)構(gòu)適用于不同的頻段、Q值需求和布線環(huán)境。對于四層PCB設(shè)計，帶阻濾波器可采用平面LC結(jié)構(gòu)或微帶諧振方式，具體取決于目標(biāo)頻率和面積限制。

三、四層板中集成帶阻濾波器的關(guān)鍵設(shè)計點

1. 層疊結(jié)構(gòu)與濾波器布局

四層板通常采用以下層疊結(jié)構(gòu)：

• 第1層：信號

• 第2層：地

• 第3層：電源

• 第4層：信號

在這種結(jié)構(gòu)中，濾波器可以布置在第1層或第4層，參考地面在第2層。為了保證濾波器工作穩(wěn)定，必須讓諧振單元靠近地層，防止電場泄漏，增強Q值。

建議將濾波器模塊布置在信號鏈中靠近敏感輸入端或干擾源出口處，比如：

• 放在ADC輸入前端；

• 放在RF模塊前端；

• 放在高速數(shù)字通道的電源入口處。

布局時要避免濾波器與其它高速線、時鐘線交叉，減少耦合和串?dāng)_。

2. 濾波器結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)計算

帶阻濾波器的基本參數(shù)包括：

• 中心頻率 ${\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">f</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}$f_0

• 帶寬 $\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">B</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">W</span>}$BW

• 阻帶深度（通常 > 20dB）

• 通帶插損（應(yīng)盡量低）

若采用LC結(jié)構(gòu)，中心頻率計算公式為：

$${\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">f</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">=</span>\frac{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\pi </span>}\sqrt{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">L</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">C</span>}}}$$f_0 = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}

濾波器的帶寬可以通過品質(zhì)因數(shù) $\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">Q</span>}$Q 來控制：

$$\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">Q</span>}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">f</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}}{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">B</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">W</span>}}$$Q = \frac{f_0}{BW}

例如：設(shè)計一個針對 2.4 GHz 帶寬為 100 MHz 的帶阻濾波器，則中心頻率為 2.4GHz，Q 值為 24。根據(jù)頻率和Q值，可以反推 L 與 C 的值。

當(dāng)頻率高于1 GHz以上時，不建議使用分立元件構(gòu)成LC結(jié)構(gòu)。應(yīng)采用微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計帶阻濾波器，例如：

• λ/4諧振腔結(jié)構(gòu)；

• 縫隙諧振器；

• 開口諧振器；

這些結(jié)構(gòu)在PCB上通過導(dǎo)線長度、寬度、槽口深度等參數(shù)控制頻率。

3. 高頻布局中的關(guān)鍵布線規(guī)則

在布線階段，帶阻濾波器需遵循以下幾點：

• 所有引線要盡量短；

• LC器件之間不要插入過長過寬走線；

• 接地引腳連接到地平面，不要僅僅靠回轉(zhuǎn)走線；

• 與濾波器相鄰的信號線盡量避開或保持正交；

• 若采用微帶諧振結(jié)構(gòu)，需嚴(yán)格控制線寬、介質(zhì)常數(shù)、距離地層的高度。

這些因素都會影響濾波器的中心頻率和阻帶深度。例如：一個開口諧振器的中心頻率可能因地平面距離變化而偏移 50 MHz 以上。

4. 仿真驗證和參數(shù)優(yōu)化

在完成初步設(shè)計后，應(yīng)使用電磁仿真軟件（如HFSS、ADS、CST）進(jìn)行驗證。仿真要確認(rèn)：

• 實際阻帶頻率是否與設(shè)計一致；

• 通帶插損是否滿足指標(biāo)；

• 相位延遲和群時延是否平穩(wěn)；

• Q值是否達(dá)到需求；

• 是否存在寄生諧波。

如果頻率偏移或阻帶不夠深，可以通過調(diào)整L、C、微帶長度或添加吸收結(jié)構(gòu)來修正。

此外，在實際制造中，由于銅厚、介質(zhì)材料、壓合公差、焊接溫度等影響，頻率可能偏移。建議設(shè)計中預(yù)留±5%的調(diào)節(jié)空間，或設(shè)計可調(diào)電容進(jìn)行補償。

5. 可靠性與工藝適配

帶阻濾波器不只追求性能，還要兼顧可靠性和生產(chǎn)可行性：

• 所選元件必須支持高頻工作，不能選用高ESR器件；

• 微帶濾波器應(yīng)避免經(jīng)過高溫區(qū)，防止材料變形；

• 濾波器位置不能靠近BGA焊點或過孔密集區(qū)；

• 若采用盲孔或埋孔結(jié)構(gòu)，需驗證疊板順序是否合理；

• 絲印標(biāo)識應(yīng)清楚，便于檢修與更換；

一旦濾波器工作不穩(wěn)定，會出現(xiàn)間歇性失效或射頻泄漏，這對通信設(shè)備是不可接受的。

集成式帶阻濾波器助力高可靠四層PCB設(shè)計

帶阻濾波器是抑制電磁干擾和特定頻段干擾的有效方式。在四層PCB中合理布置帶阻濾波器，能夠在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，提高抗干擾能力和信號完整性。

設(shè)計中，應(yīng)特別注意：

• 中心頻率計算準(zhǔn)確；

• 濾波結(jié)構(gòu)匹配頻段和板層能力；

• 信號走線合理布局；

• 仿真和調(diào)試及時跟進(jìn)；

• 與制造能力配合良好。

通過這些措施，帶阻濾波器不僅可以提升整板性能，還可以讓系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中運行更穩(wěn)定。未來隨著多頻系統(tǒng)和EMC要求提升，這類集成濾波器設(shè)計將越來越常見。

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