Помехозащитные фильтры Tusonix

Рис. 1. Пол Э. Снайдер (Paul E. Snyder)

Компания CTS Corporation (г. Элкхарт, штат Индиана, США) имеет долгую историю, начало которой положили отец и сын Бриггс (A. J. and George A. Briggs) совместно с С. А. Баффингтоном (S. A. Buffington), основавшие в 1896 году в Чикаго компанию по производству телефонных аппаратов и коммутаторов Chicago Telephone Supply Company. В 1902 году семья Бриггс нашла подходящее помещение для фабрики в небольшом городке Элкхарт недалеко от Чикаго, где кроме телефонов выпускали телефонные коммутаторы вплоть до 1940 года. Во время бума радиовещания 20‑х годов компания изготавливала различные детали для радиоприемников (гнезда, вилки, переменные резисторы и т. п.), а в период бурного развития телевидения — детали и узлы для телевизоров.

В начале 1960‑х компания изменила название на современное, разместила свои акции на Нью-Йоркской фондовой бирже и вывела свою продукцию за рамки рынка бытовой электроники. В номенклатуру выпускаемых электронных компонентов вошли кварцевые фильтры и генераторы, селекторы ВЧ-каналов, динамические головки громкоговорителей, переменные и постоянные резисторы, в том числе запатентованные металлопленочные Cermet, а также гибридные микросхемы. В 70‑е годы компания представила на автомобильный рынок множество датчиков самого различного типа и продолжает это направление до настоящего времени [2].

Рост компании осуществлялся как за счет создания новых предприятий и представительств за рубежом, так и за счет приобретения профильных компаний и активов. Например, в конце 1990‑х произошло слияние с компанией Dynamic Corporation of America (DCA), что значительно укрепило позиции CTS как ведущего производителя электронных компонентов, приобретение отделения Component Product Division компании Motorola вывело CTS на быстрорастущий рынок сотовых телефонов и телекоммуникационного оборудования. Промышленные и бизнес-направления деятельности компании были расширены с приобретением SMTEK International, Ink. и Orion Manufacturing, Inc. [3].

Компанию Tusonix основал в 1981 году Пол Э. Снайдер (Paul E. Snyder, 1929–2009 гг., рис. 1), долгие годы являвшийся ее президентом и главным исполнительным директором. Компания признана мировым лидером в разработке и производстве (теперь в составе CTS) компонентов для подавления электромагнитных излучений и радиопомех (EMI/RFI). Компания выпускает миниатюрные керамические фильтры и конденсаторы для применения в областях телекоммуникаций, кабельного телевидения, телеметрии, радиолокационном оборудовании, высокочастотных переключателях, военной аппаратуре и промышленном оборудовании. В продуктовом портфеле Tusonix имеются также керамические конденсаторы переменной емкости, клеммные колодки со встроенными помехозащитными фильтрами, керамические резонаторы для использования в генераторах и другие продукты на основе керамики [4, 5].

В каталоге CTS 2014 года представлены следующие категории продуктов Tusonix:

• фильтры электромагнитных и радиопомех (EMI-RFI) выводные;
• П‑фильтры (EMI-RFI) в SMD-исполнении;
• подстроечные конденсаторы;
• EMI-RFI фильтр-сборки;
• клеммные колодки;
• дисковые керамические конденсаторы;
• керамические резонаторы.

Борьба с излучаемыми радиоэлектронной аппаратурой электромагнитными помехами (ЭМП) и ее защита от внешних электромагнитных излучений являются важнейшими задачами при проектировании различной радиоэлектронной аппаратуры, в том числе СВЧ и в особенности изделий микроэлектроники СВЧ. В настоящее время проблема ЭМП стала еще более актуальной вследствие возрастания функциональных возможностей, миниатюризации, увеличения плотности компоновки и сложности аппаратуры, роста взаимного влияния ее элементов. Наиболее опасными являются кондуктивные помехи, распространяющиеся по цепям питания, управления и коммутации, а также в цепях полезных относительно низкочастотных сигналов.

Основным средством защиты от ЭМП, распространяющихся по цепям питания, управления и коммутации, являются помехоподавляющие фильтры нижних частот, защищающие аппаратуру от внешних и внутренних помех, а сети питания — от генерируемых аппаратурой излучений. Помехозащитные фильтры, используемые в СВЧ-блоках, модулях и микросборках, отвечают следующим основным требованиям:

• достаточно высокий уровень затухания, вносимый фильтрами в широком диапазоне частот (до 18 ГГц и выше);
• герметичность, определяемая скоростью натекания на уровне 10^–9–10^–11м³Па/с;
• возможность пайки фильтров при температуре не ниже +260 °C без нарушения конструкции и ухудшения их параметров;
• вибростойкость и ударопрочность;
• широкий диапазон рабочих температур и влажностей;
• миниатюрность (для СВЧ-микросборок и модулей — диаметр не более 4 мм, длина не более 10 мм).

Tusonix выпускает керамические помехозащитные фильтры, предназначенные для применения в радиоэлектронной аппаратуре самого различного назначения, в том числе в СВЧ-модулях и сборках. Фильтры представляют собой сочетание емкостных и индуктивных элементов, соединенных по С‑, L‑ и Pi-схемам (рис. 2). Конденсаторы, включенные параллельно проходящему сигналу, обеспечивают низкое сопротивление для ВЧ-помех, закорачивая их на корпус, а индуктивности, включенные последовательно, имеют для этих помех высокое сопротивление. Тщательный выбор значений емкостей и индуктивностей фильтров позволяет эффективно фильтровать помехи и шумы в диапазоне от низких частот (единицы мегагерц) до СВЧ. С‑фильтры часто называют проходными конденсаторами.

Рис. 2. Схемы фильтров:
а) С типа;
б) Pi-типа;
в) L типа

Основными показателями эффективности фильтра являются частота среза, на которой вносимое затухание равно 3 дБ, и величина вносимого затухания в заданном диапазоне частот. Регламентированную величину вносимого затухания обычно определяют в 50‑омной измерительной схеме, при включении фильтров в реальные устройства величина затухания, естественно, будет отличаться от регламентированной.

Рис. 3. Фильтр серии 4300 Style 1

Фильтры (и другие изделия), приводимые в общих каталогах Tusonix, охватывают только часть из нескольких тысяч различных типов и исполнений продуктов, выпускаемых компанией. Более подробные перечни и технические характеристики компонентов предоставляются покупателям по прямым запросам. Качество продуктов Tusonix соответствует жестким мировым стандартам, в том числе MIL-PRF‑15733, MIL-PRF‑81, MIL-C‑11015, и контролируется лабораторией качества компании.

Миниатюрные цилиндрические С‑фильтры серии 4300 в корпусах для пайки выпускаются в трех вариантах (Style 1, 2, 3), отличающихся материалом диэлектрика в торцах корпуса — стекло или эпоксид, размеры корпуса 2,79×∅3,96 мм, диапазон рабочих температур –55…+125 °C.

Фильтры этой серии отлично подходят для приложений, критичных к размерам и качественным характеристикам, в том числе для СВЧ-генераторов, аттенюаторов, малошумящих усилителей и фильтров. Золотое покрытие корпуса и выводов фильтров способствует обеспечению высокой долговременной стабильности проводящего слоя и надежности.

Фильтры серии 4300 рассчитаны на максимальный проходной ток 5 А и рабочие напряжения 50–300 В (в зависимости от типа). Номинальные емкости фильтров находятся в диапазоне 5 пФ – 0,05 мкФ, при этом с увеличением емкости допустимое рабочее напряжение уменьшается. Исполнения с окончанием LF в наименовании фильтров удовлетворяют требованиям директивы RoHS, основные параметры фильтров приведены в таблице. На рис. 3 показан внешний вид приборов варианта 1 (Style 1) с эпоксидной изоляцией верха корпуса (низ со стеклянной изоляцией). В вариантах 2 (Style 2) использована эпоксидная изоляция низа корпуса, в вариантах 3 (Style 3) — оба торца с эпоксидной изоляцией.

Для производств, требовательных к скорости монтажа, Tusonix выпускает фильтры в корпусах, предназначенных для запрессовки в конструкции узлов с помощью специальных приспособлений, поставляемых компанией. Метод запрессовки исключает весьма трудоемкую пайку корпусов фильтров в конструкции СВЧ-модулей.

Миниатюрные цилиндрические фильтры С‑типа в исполнениях для запрессовки изготовляются в корпусах размерами 2,79×∅3,96 мм (серия 4303, рис. 4а) и 2,79×∅3,71 мм (серия 4306, рис. 4б). Электрические и эксплуатационные параметры фильтров этой серии в основном сходны с параметрами приборов серии 4300 для соответствующих номиналов емкостей.

Рис. 4. Миниатюрные цилиндрические фильтры С типа в исполнениях для запрессовки:
а) серия 4303;
б) серия 4306

Значительно более широкую номенклатуру продуктов в корпусах для пайки компания выпускает в категории Pi-фильтров — 20 конструктивных вариантов (Style 1 – Style 20), отличающихся большими величинами вносимого затухания. В эту категорию входят приборы серий 4100, 4101, 4102, 4106, 4151. Варианты отличаются конфигурациями выводов и размерами корпусов и могут устанавливаться как в блоки и переборки конструкций, так и в СВЧ-модули. Внешний вид фильтров типа 4100-003LF (Style 1) показан на рис. 5а, 4106-000LF (Style 11) — на рис. 5б. Максимальный ток для большинства фильтров ограничивается 10 А, некоторые типы допускают ток 15 А (4100-003, 4100-002) и 25 А (4106-00б 4106-001). Многие фильтры соответствуют жестким требованиям по уровню защиты от внешних воздействий стандартов семейства MIL-PRF‑15733, основные параметры ряда фильтров этой категории также приведены в таблице.

Рис. 5. Pi-фильтры в корпусах для пайки:
а) серия 4100-003LF Style 1;
б) серия 4106-000LF Style 11

Компания выпускает обширную номенклатуру фильтров типов С‑, Pi-, L‑ с резьбовым креплением, используемая резьба:

• #4-40 UNC‑2A, #6-32 UNC‑2A, #8-32 UNC‑2A — крупные дюймовые;
• #6-40 UNF‑2A, #8-36 UNF‑2A, #12-28 UNF‑2A, #12–32 UNEF‑2A, 1/2-28 UNF‑2A, 5/16-24 UNF‑2A, 5/16-32 UNEF‑2A — мелкие дюймовые;
• М3, М5 — метрические.

В каталогах компании к данной категории отнесены следующие серии продуктов:

• 4400 (типы C, L), 4403 (C), 4261, 4200 (Pi) — более 60 фильтров в двух вариантах (Style 1, 2), выполненных в корпусах с дюймовой резьбой 4–40 UNC‑2A (гайки прилагаются к каждому поставляемому фильтру). Размеры корпусов 8,64×3,96 мм (Style 1), 5,47×3,18 мм (Style 2). Фильтры С‑ и L‑типов рассчитаны на ток до 10 А, Pi-типа — до 3 А, рабочие напряжения 50–300 В, номиналы емкостей от 5 пФ до 0,05 мкФ, параметры затухания примерно соответствуют параметрам описанных выше фильтров в корпусах для пайки при одинаковых значениях емкостей. На рис. 6а показан внешний вид фильтра 4400-038 (С‑тип, Style 1), на рис. 6б — 4400-057LF (L‑тип, Style 1), на рис. 6в — 4403-039LF (C‑тип, Style 2).
• 4200 (Pi-тип) — 3 типа фильтров, выполненных в корпусах с мелкой дюймовой резьбой #6-40 UNF‑2A, рабочее напряжение 300 В (+85 °C), ток 10 А, емкости 1500 пФ и 3000 пФ.
• 4260 (Pi-тип), 4402 (C, L) — более 10 типов фильтров в пяти конструктивных вариантах (Style 1 – Style 5), выполненных в корпусах с дюймовой резьбой #6-32 UNC‑2A. Рабочие напряжения фильтров от 50 до 400 В, ток 3 А (Pi-тип) и 10 А (С, L типы), емкости от 5 пФ (проходной изолятор) до 0,1 мкФ, на рис. 7 показан внешний вид фильтра 4402-018 (0,1 мкФ, С‑тип, затухание более 40 дБ на частотах выше 10 МГц).
• 4201, 4205, 4251 (Pi-тип), 2425, 4404 (С-, L-типы) — более 35 типов фильтров в 15 конструктивных вариантах (Style 1 – Style 15), выполненных в корпусах с дюймовой резьбой #8-32 UNC‑2A. Рабочие напряжения 50–250 В, ток 10/15/20 А, емкости от 65 пФ до 0,1 мкФ.
• 4401, 2499 (С‑тип), 4202, 4204 (Pi-тип) — более 25 типов фильтров в 5 конструктивных вариантах, выполненных в корпусах с мелкой дюймовой резьбой #8-36 UNF‑2A. Рабочие напряжения от 50 до 500 В (серия 2499), ток 10 А и 20 А (серия 2499), емкости от 5 пФ до 0,05 мкФ.
• 4202, 4203, 4207, 4253 (Pi-тип), 2452 (С‑тип) — более 20 типов фильтров в 5 конструктивных вариантах, выполненных в корпусах с мелкой дюймовой резьбой #12–32 UNEF‑2A. Рабочие напряжения 70–500 В, ток 10/15/20 А, емкости от 100 пФ до 0,05 мкФ.
• 4400 (С‑тип), 4209 (Pi-тип) — более 10 типов фильтров в 3 конструктивных вариантах, выполненных в корпусах с метрической резьбой М3, М5. Рабочие напряжения 50–500 В, ток 10 А, емкости от 5 пФ (проходной изолятор) до 0,05 мкФ.

Рис. 6. Внешний вид фильтра серии:
а) 4400-038 Style 1;
б) 4400-057LF Style 1;
в) 4403-039LF Style 2

Рис. 7. Внешний вид фильтра серии 4402-018

Отличные характеристики имеют бескорпусные помехоподавляющие фильтры Tusonix, предназначенные для установки на печатные платы. Компания выпускает фильтры этой категории с квадратным сечением (Pi-тип, серия 4700; С‑тип, серия 4702) и круглым сечением (серия 4701, Pi-тип). Эффективность подавления помех SMD-фильтров существенно выше, чем обеспечивают фильтрующие конденсаторы с одинаковыми емкостями. На рис. 8 приведены зависимости затухания SMD-фильтров и фильтрующих конденсаторов от частоты, как видно из рисунков, затухание фильтров на 10–30 дБ больше, чем обеспечивают конденсаторы сопоставимой емкости. Размеры фильтров с квадратным сечением (рис. 9) 8×2,29×2,29 мм, с круглым сечением 10×∅2,2 мм (серии 4700, 4702) и 10×2,29×2,29 мм (серия 4701). Индуктивность Pi-фильтров не менее 100 нГн, допустимый ток 10 А, допустимое рабочее напряжение 100 В, основные параметры SMD-фильтров также приведены в таблице.

Рис. 8. Зависимость вносимого затухания:
а) фильтров от частоты;
б) конденсаторов от частоты

Рис. 9. Внешний вид SMD-фильтра

Для подавления электромагнитных излучений сразу в нескольких подводящих цепях удобно осуществлять их подключение через терминальные (или барьерные) фильтрующие блоки (рис. 10), устанавливаемые на конструкционных частях и панелях аппаратуры различного назначения. Фильтрующие блоки (или клеммные колодки) Tusonix, в том числе соответствующие требованиям UL (UL Recognized), предназначены для широкого круга приложений: для промышленной автоматики, телекоммуникационной аппаратуры, компьютеров и периферии, источников питания, офисного и лабораторного оборудования, военной аппаратуры и других приложений.

Рис. 10. Клеммные колодки

Терминальные фильтрующие блоки компании представлены в сериях 7602–7610 тремя семействами из 9 типов каждое, отличающимися числом контактов.

Рис. 11. Клеммная колодка 7602-604NLF

• UL Recognized с фильтрами Pi-типа серий 7602/7610-501 (LF, NLF) соответствуют UL Standard 1283, 1059. Блоки содержат от двух (7602) до 10 (7610) одинаковых фильтров, обеспечивающих затухание 50–65 дБ на частотах 100 МГц — 10 ГГц (5 дБ на частоте 10 МГц). Диапазон рабочих температур –40…+105 °C, рабочее напряжение до 250 В AC, ток до 20 А, емкость фильтров 2000 пФ.
• Блоки с фильтрами Pi-типа серий 7602/7610-551 (LF, NLF) отличаются от предыдущей серии меньшим рабочим напряжением (100 В DC) и емкостями фильтров (2500/5000 пФ), другие параметры совпадают.
• UL Recognized с фильтрами С‑типа на ток 30 А серий 7602/7610-602 (LF, NLF), на рис. 11 показан внешний вид блока 7602-604NLF. Блоки также содержат от 2 до 10 фильтров, обеспечивающих затухание 45–70 дБ в диапазоне 100 МГц – 10 ГГц (28 дБ на частоте 10 МГц). Эксплуатационные характеристики такие же, как у описанных выше блоков, основные параметры: рабочее напряжение 150 В, емкость 15 000 пФ, проходное сопротивление менее 10 мОм.