1 引言

无线电和通信工业的铜基接触件严重依赖模块插孔即电话输出端口连接器(TOC)，连接器用户不仅对便捷的连接器件非常熟悉，而且越来越依赖其互连器件。随着这些器件的演变和改进，越来越需要确保在通过系统的互连器件之后，其传输的数据不受外界影响，反过来也需要防止其本身的电磁辐射可能会对其它系统产生不良影响。为了减小EMI的影响，欧盟制定了《EMC信息技术设备指南》，这样就对电子产品提出了更为严格的EMI滤波性能要求。所不同的是，欧洲连接器供应商可以向本国政府申请在执行过程中暂时与EMC设备要求存在一定的差异，而美国和其它地区的制造商则必须完全符合其技术规定和要求，否则，其产品有可能被排挤出欧洲市场。

在试验条件下，滤波器的频率范围为1MHz ~1000 MHz。由试验得出，宽带材料在整个测试频谱范围内产生有效电抗。EMI信号衰减值与频率、滤波器外形尺寸和材料之间存在一定的函数关系。同时，本文还将给出信号衰减值和各线路阻抗的低通滤波器阻抗的相关公式。可以利用低频下的不同材料将l MHz频率时的通过信号的衰减值降为0.02dB，10MHz时的信号衰减值降为0.9dB。与此同时，在500~1000MHz宽频范围内提供一个200Ω的插入损耗。

连接器制造商可以帮助设备制造商解决这一问题。其方法就是在连接器中安装上一个EMI滤波器件，滤波器件包括电容滤波器和电感滤波器。目前，电感滤波器的使用更为广泛。这种电感滤波器包括普通模式和差分模式滤波技术。这些并不是什么新的概念。不过，增加EMI滤波特性，其增加的成本不应对设制造商的竞争力优势产生任何不利影响。产品成本不仅受到连接器本身的影响，而且也要求连接器增大其内部空间，以安装滤波器件。最后，连接器滤波元件的技术规范还需要进步加以细化，以便在规定的频率和波段范围内达到普通和/或差分模式的滤波特性。

2 电感滤波器

Berg电子公司采用了独特的低成本电感器开发出几种专用滤波器件。这种电感器可以装在现有的模块插孔壳体内。其制造工艺与标准插孔相同，只是增加一个步骤，即将特殊滤波器滑向焊接引线。另外，它还可以规定滤波器件的滤波特性来达到各种特性。因此，铁氧体滤波块的磁性特性可以通过焊接引线之间的块来形成，而差分模式滤波则可以通过在接触对之间留一个空隙来实现。如果让每个接触件引线穿过铁氧磁块中的单独通道即可形成普通模式的滤波器件。在接触对上留有局部穿过磁块的槽孔即可形成各种规格的普通模式和差分模式滤波特性。

3 铁氧体材料特性及其选择

铁氧体材料主要为铁的氧化混合物，在外加电磁场的作用下添加少量稀土元素。EMI滤波器铁氧体材料属于一个独立的亚类，即所谓的铁氧体磁性材料。铁氧体材料可以分为两大类，即软磁性材料和硬磁性材料。当撤去外部磁场后，铁氧体材料的磁场极性很大程度上会发生转换或去磁(软磁性材料)或保持原状或稍有变化(软磁性材料)。软磁性铁氧体材料在EMI滤波器中具有极为广泛的应用。

这一理论说明，铁氧体材料含有颗粒较大的松散粒状磁畴(直径约为10 ^-6m)。磁畴的磁矩与外部磁场相互吻合。在某些情况下，其物理位移会伴随这种磁矩而产生。所耗散的能量除了产生电磁现象外，还会产生热、振动及其它热或机械效应。

软磁性铁氧体材料用作滤波器主要是根据其两种效应的综合作用。首先，导体外部布在EMI电磁场;其次，软磁性铁氧体材料的磁化极性可以发生转换。在初始阶段，磁畴磁化要么是随机的，要么就与外部磁场的EM矢量不相容。当一个随时变动的信号沿着一根导体传输时，可以在导体外检测到相应的瞬时磁场。磁场与带电磁畴发生作用，而磁畴的内部磁场自身也会改变方向。还有一个有趣的现象：在一些磁畴中，内部冲量降为零(叠加模式)，而在重新出现时，其极性会完全反转或接近相反方向。铁氧体磁性材料将会随着感应电磁场的变化而变化。对于高频应用来说，损耗系数大幅上升，说明这种材料并不适用。

铁氧体材料对其应用产生重大影响的特性是导磁率、饱和磁通密度、居里温度和导磁率温度系数。铁氧体材料的特性选择参见表1所示。

4 导磁率

导磁率是铁氧磁体材料中磁通量密度与产生的磁场力的比率。导磁率是磁性材料化学成分、环境温度和磁场强度的相关函数。而且，系统磁场(如DC偏移或永久磁铁)都会影响导磁率。在机械应力作用下，铁氧体材料的制成元件会改变其电性能。

这里所讨论的特性是指铁氧体材料的固有的或初始导磁率。这种导磁率是由材料生产厂家在低场强(低于10高斯)、室温和没有DC偏移的条件下确定的。温度对初始导磁率的典型影响参见图1所示。铁氧体材料的另一个重要特性参数是其居里温度。据称，环境温度高于居里温度时其相对导磁率降到1.0，铁氧体磁材料失去其独有的特性。根据具体的应用情况，应选择居里温度高于预计环境温度的磁性材料。该区域的环境温度高于居里温度时，短暂的偏移(如在回流焊接过程中)不会导致材料功能退化或电性能的永久变化。另一方面，长时间(30分钟或更长)暴露于大大高于材料的居里温度的环境中可能会降低材料的电性能。Berg公司的模块连接器所用的滤波材料，其居里温度一般在175℃以上。

当磁通量不随磁力的增大而增大时，磁通量强度就会处于一种饱和状态。在饱和状态下，磁通量与磁力之比接近1.0。EMI滤波器中通常采用饱和磁通量电介质材料。在材料选择中，我们一直采用磁通量为3000~5000高斯的铁氧材料。

典型的铁氧体滤波器只是一个矩形铁氧体材料矩形方块，其设计不应影响模块插孔的整体外形。它还可以采用焊波、焊料浸渍、蒸汽或红外线回流进行处理。铁氧磁体是导电性较差的导体，它可以接触屏蔽体和信号导体，而不至于对介质耐压产生不良影响。铁氧磁体作为氧化混合物，其电子被氧-金属键紧紧吸引着。Berg公司所用的电感滤波器的最小绝缘参数参见表2 所示。

5 带电感滤波器的模块插孔

一个理想的滤波器应对有用的电磁信号产生零阻抗，而对无用的噪音信号产生无限阻抗。电感滤波器对随时变动的信号产生串联阻抗。阻抗可以用下列公式来表示：

Z(f) = R(f)+ jwL(f)式中，R和X 电抗值取决于频率大小。模块插孔电感滤波器参见图4。

一个单一滤波器的主要作用是减少某一特定频率下的EMI噪音。由于电感滤波器产生串联阻抗，故衰变应用领域要求采用不同的滤波器。所有设计和估算的滤波器都可以装入Breg矩形模块插孔。图4表示装入Breg TOC的三种主要类型的滤波器，即普通的单端传输滤波器、差分传输的槽孔滤波器和差分和普通组合模。普通模式的单端传输和差分传输可采用模块插孔。

6 试验条件及设备

阻抗值采用一个HP型4191A 阻抗分析仪来测定。在所有情况下，试验条件应尽可能与实际应用情况相同或接近。在不同的模式中，测量模块插孔时可配备一个0.05m长UTP引线，并与模块插孔插合在一起。插孔焊接引线端接在100Ω、1/8W碳膜电阻器上。阻抗分析仪则通过一个SMA阴连接器端接在一个TP101平衡-不平衡转换器上。

对于普通模式(单端接触对)来说，阻抗分析仪SMA连接器(没有平衡-不平衡转换器)连接到两个插头上。端子1 和2的两个邻近引线焊接在一起，而对于相隔较远的引线，可以在两个接插件和一个屏蔽之间焊接一个50Ω的电阻器。对于普通模式单端来说，可以通过一个滤波器连接一根0. 25m导线。衰减值的测量可采用HP 3122网络分析仪来完成。

7 单端普通模式宽带滤波器

这是最简单也是最普通的滤波方法。所有的矩形模式插孔接触件穿过一个铁氧磁体开孔。

（以上列举的三张概念图归类为图4 模块插孔滤波器）

7.1 普通模式-单端接触对

在本试验中，我们以以太网连接所采用一种的差分接触对的接地导电屏蔽做了测量，测量结果参见表6。有趣的是，没有滤波时，由于它是一对导体，故负荷在频率极低时为纯粹的电阻，在频率为100MHz时，其电抗为10.8Ω，而在频率为1000MHz时，其电抗为123Ω。

7.2 差分模式滤波器

表7a和7b表示A型电感滤波器的试验数据。该数据包括屏蔽式和非屏蔽式两种。由此可见，屏蔽对滤波的作用很小，可以忽略不计。

7.3 滤波器衰减

一般来说，作为阻抗函数的衰减值(dB)，其计算公式如下：

A = 20 log {(Z_F+ Z_D +Z_L)/(Z_D +Z_L)}

式中，Z_F为滤波器的阻抗;Z_D为驱动器的阻抗;Z_L为电阻的阻抗。

滤波器的衰减和效率取决于电路阻抗。低频衰减直接影响信号的合成，上面我们己经作了详细的研究。

7.4 带槽孔的电感滤波器

为差分接触对提供一个滤波器可以使普通模式噪音发生衰减。实际上，采用差分传输的每条传输线路的性能可能会因此得以改善。一般情况下，可采用普通扼流圈来抑制噪音。

8 低成本滤波技术

与其它滤波器相比，电感式滤波器具有几个诱人的特点，从而使之成为人们选择低成本EMI滤波的首选目标。电感式滤波器的成本主要取决于所用的材料、尺寸大小及其重量。不过，滤波器不需要接地，因而没有电路干扰问题。由于它采用模块化设计，故无需焊接。由于很难估计所有情况下的滤波成本，故有许多特性使得电感式滤波器成本保持在较低的水平。这些特性参见表9，其中还计算出每条线路的标准成本估算。应该指出的是，电感式滤波技术有其很多优点，如宽频范围以及对信号影响较小。

9 结论

无需增加多少成本即可在模块插孔中增加各种各样的滤波功能。可以通过选择成本较低的滤波材料使得滤波器在几何外形上符合性能要求，并可将成本的影响力降至最低。同时，也可以通过减少连接器的组装工序降低连接器装配成本来控制其总体成本水平(相比于未加滤波功能的连接器)。此外，还可以通过增加滤波元件，减小PCB板上滤波元件的空间占比来维持最终产品的成本。