大功率谐波滤波器设计

大功率谐波滤波器器件选择

摘 要

本文介绍了大功率谐波滤波器器件的选择方法。具有很强的工程指导作用。

一、概述

谐波滤波器的可靠性设计在大功率短波发信机可靠性设计中占有重要的位置。而器件的选择预计是工程设计上的难点。本文给出了大功率谐波滤波器中电容器和电感器件的选择方法，给设计和生产带来的和大的便利。

二、理论分析

下面将以设计一个1kW七阶椭圆函数滤波器（As≥45dB，Ar≤0.3dB，r≤1.5，负载能力为1.25kW连续工作）为例，讲述电容器和电感器的选择和可靠性预计。 2.1 低通滤波器的设计过程如下：

① 由于工作频段约为四个倍频程（2.0～30MHz），必须考虑将其分做多个波段，每个波段分别用一块滤波板来实现低通滤波，波段分划如下：2.0～2.8MHz，2.8～3.9MHz，3.9～5.5MHz，5.5～7.7MHz，7.7～10.7MHz，10.7～14.8MHz，14.8～21MHz，21～30MHz共八个波段。

出于指标冗余度的考虑，取设计指标为Ar=0.3dB，As≥52dB，Ωs=1.3054，由椭圆函数滤波器计算曲线，查出滤波器的复杂度n=7。

② 基于制作难度和整件尺寸，选择电感较少的电路结构。访滤波器的原型电路如下：

n1 C2 n2 C4 n3 C6 n4 L2

图（1）

C1 C3 L4 C5 L6 C7 ③ 查找椭圆函数滤波器之归一化元件值表，得到各电容电感器件的归一化值，然后用综合标定法计算出各个元件的实际值。

④ 电感的制作和电容器件的选取。在大功率滤波器设计中，电容器的选取主要是考虑其功率容量，额定工作电压和等效串联电阻（ESR）。而在大功率运用中ESR常常是唯一重要的参数。ESR是电容介质损耗Rsd和金属损耗Rsm的和。它主要用来预计电容的发热量。.发热量PDI2ESR。由于我们选用了某型高频低介质损耗陶瓷电容，使该滤波器的可靠性大为提高。

⑤ 在低波段，由于电感量较大（1.5－3.3H），如果用空心线圈制作，势必会造成电感的体积过大，电感间相互串扰。通过使用低损耗铁粉磁环提供的低磁阻回路把磁力线约束在磁环内，减少了磁场辐射和电感体积。而工程上用四股较细的漆包线并绕磁环制作电感，既改善了制作工艺性，又消除了由于“趋肤效应”造成导线截面积不足的问题。 2.2 电容器的选择方法

假定输入功率为1600W，标准负载为50欧姆。就可以为图一列一组节点电压方程，解该方程可以得到任意器件两端电压和流过的电流。这样就可预计器件各项指标是否满足相关电路的要求。电容主要考核其耐压，额定电流和发热量。磁环更多要考虑磁环工艺和磁环温升指标。

三、计算

 电容器的选择及可靠性设计：

为了选择功率容量、耐压值相宜的电容，可对图（1）用节点电压列出节点电压方程（设输入功率1600W，输入负载50Ω）：

((1jwl1jwl1jwl2jwc2)un1(jwc4)un2(jwc6)un3(1jwl1jwl41jwl62jwc2jwc3jwc4jwc5jwc6jwc71jwl1jwl61504jwc4)un2(1jwl14jwc4)un30jwc6)un3(（1）

(jwljwc6)un406)un40代入条件un1=282.84V，把L和C转换做归一化元件值后，方程变作：

（2）

其中

kwwp(k0.67～0.93)(1l2'11l4'kC2'kC3'kC4')un2(22221l4'kC4')un3209.7522((l4'1l6'kC4')un2(kC6')un3(21l4'1l6'kC4'kC5'kC6'222221l6')un3(1l6'kC6')un402kC6'kC7'kj)un40因为方程组（2）难解，可以用计算机编程，令k=0.67，0.68，0.69，……0.92，0.93，分别求出k在以上各值时各电容器件两端的电压，再对各电压值进行比较，发现当k=0.93时，电容C3、C4、C5两端电压取得最大值uC3max，uC4max，uC5max

uC3max=365.5V IC3max=9A

uC4max=512.35V IC4max=5.58A

uC5max=370V IC5max=8.22A

它们的视在功率分别为

SC3=32.5VA

SC4=2859.2VA

SC5=3042.9VA

在第一波段处，C4的电容值最大为622Pf。查某型高频低介质损耗陶瓷电容器手册，电容值从470～680Pf的电容功率容量为6KVA，耐压值是1800V，显然该电容可用单个电容装

配，对于C3和C5，在第一波段，其电容值分别是1405，1268Pf。而单个这样的电容，其耐压值只有700V，功率容量只有6kVA，额定电流为10A，于是C5和C4都用两个电容并联结构来代替。如C3=1405Pf，就用两个700Pf电容并联替换，这样就增强了滤波器的可靠性。

又查该电容器手册，得30MHz时该电容器的ESR为0.018。于是C3的最大发热量为 发热量PDI2ESR810.0181.16W

据查该电容器最大功率耗散为5W，完全能够满足以上运用。  磁环温升预计

下边是磁环温升TR方程式。

powerTRdissipations0.833

E1084.44ANf

Power dissipation=core loss ×V V是磁环体积，单位是cm3 s是磁环的散热表面积，单位cm2 功率耗散的单位是mW

B是最大磁通密度，A是磁环的结面积，f为频率，E为电压有效值，N是线圈匝数。 以第一波段为例（f＝2-2.8MHz），磁环为AMIDON公司的T-157-2。.由方程（1）有 f＝2.8MHz，L2上电压379，N＝15，Ae＝1.14，V=11.46，s=44.95

3791004.441.14152.8＝178

通过查B－core loss 对照表，得到core loss为1000。于是 Power dissipation=11460 TR>101°

L2温升大于磁芯材料可承受范围，故该电感用两个磁环叠加加以减小TR。两个测芯叠加后A面积增大一倍，N数只减少了几圈。故B减小，相应的TR也减小到可以接受的程度。

四、结论语

目前用该方法设计的谐波滤波器已经运用到短波大功率发射机产品上，取得了良好的效果。

参考文献

AMIDON.INC，《IRON-POWDER and FERRITE COIL FORMS》