濾波器知識詳細整理

什么是濾波器?

電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。

濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件。“波”是一個非常廣 泛的物理概念，在電子技術領域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時間信號，又習慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計算機對信號進行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產(chǎn)生、轉換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了。

基礎知識整理：

濾波器是射頻系統(tǒng)中必不可少的關鍵部件之一，主要是用來作頻率選擇----讓需要的頻率信號通過而反射不需要的干擾頻率信號。

經(jīng)典的濾波器應用實例是接收機或發(fā)射機前端，如圖所示：

從圖中可以看到，濾波器廣泛應用在接收機中的射頻、中頻以及基帶部分。雖然對這數(shù)字技術的發(fā)展，采用數(shù)字濾波器有取代基帶部分甚至中頻部分的模擬濾波器，但射頻部分的濾波器任然不可替代。因此，濾波器是射頻系統(tǒng)中必不可少的關鍵性部件之一。

濾波器的分類有很多種方法。例如——

按頻率選擇的特性可以分為：低通、高通、帶通、帶阻濾波器等;

按不同的頻率響應函數(shù)可以分為：切比雪夫、廣義切比雪夫、巴特沃斯、高斯、貝塞爾函數(shù)、橢圓函數(shù)等。

按實現(xiàn)方式可以分為：LC濾波器、聲表面波/體聲波濾波器、螺旋濾波器、介質濾波器、腔體濾波器、高溫超導濾波器、平面結構濾波器。

對于不同的濾波器分類，主要是從不同的濾波器特性需求來描述濾波器的不同特征。

濾波器的這種眾多分類方法所描述的濾波器不同的眾多特征，集中體現(xiàn)出了實際工程應用中對濾波器的需求是需要綜合考量的，也就是說對于用戶需求來做設計時，需要綜合考慮用戶需求。

濾波器選擇時，首先需要確定的就是應該使用低通、高通、帶通還是帶阻的濾波器。

下面首先介紹一下按頻率選擇的特性分類的高通、低通、帶通以及帶阻的頻率響應特性及其作用。

巴特沃斯切比雪夫帶通濾波器

巴特沃斯切比雪夫高通濾波器

最常用的濾波器是低通跟帶通。低通在混頻器部分的鏡像抑制、頻率源部分的諧波抑制等有廣泛應用。帶通在接收機前端信號選擇、發(fā)射機功放后雜散抑制、頻率源雜散抑制等方面廣泛使用。

濾波器在微波射頻系統(tǒng)中廣泛應用，作為一功能性部件，必然有其對應的電性能指標用于描述系統(tǒng)對該部件的性能需求。

對應不同的應用場合，對濾波器某些電器性能特性有不同的要求。

描述濾波器電性能技術指標有：

階數(shù)(級數(shù))

絕對帶寬/相對帶寬

截止頻率

駐波

帶外抑制

紋波

損耗

通帶平坦度

相位線性度

絕對群時延

群時延波動

功率容量

相位一致性

幅度一致性

工作溫度范圍

下面對濾波器這些電性能指標作逐一解釋。

階數(shù)(級數(shù))：對于高通和低通濾波器來講，階數(shù)就是濾波器中電容、電感的個數(shù)總和。對于帶通濾波器來講，階數(shù)是并聯(lián)諧振器的總數(shù);對于帶阻濾波器來講，階數(shù)是串聯(lián)諧振器與并聯(lián)諧振器的總數(shù)。

絕對帶寬/相對帶寬：該指標通常用于帶通濾波器，表征可以通過濾波器的信號頻率范圍，體現(xiàn)濾波器的頻率選擇。相對帶寬是絕對帶寬與中心頻率的百分比。

截止頻率：截止頻率通常用于高通跟低通濾波器。對于低通濾波器截止表征濾波器最高能通過的頻率范圍;對于高通濾波器，截止頻率表征濾波器最低能通過的頻率范圍。

駐波：即矢網(wǎng)測得的S11，表示濾波器端口阻抗與系統(tǒng)所需阻抗的匹配程度。表示輸入信號有多少未能進入濾波器而被反射回輸入端。

損耗：損耗表示信號通過濾波器后損失的能量，也就是濾波器消耗的能量。

通帶平坦度：濾波器通帶范圍內(nèi)損耗最大值與損耗最小值之差的絕對值。表征濾波器對不同頻率信號的能量消耗的區(qū)別。

帶外抑制：濾波器通帶頻率范圍以外的“衰減量”。表征濾波器對不需要的頻率信號的選擇能力。

紋波：濾波器通帶內(nèi)S21曲線起伏的波峰與波谷之間的差值。

相位線性度：濾波器通帶頻率范圍內(nèi)相位與一條與中心頻率時延相等的傳輸線之間的相位差值。表征濾波器的色散特性。

絕對群時延：濾波器通帶范圍內(nèi)信號從輸入端口傳輸至輸出端口所用的時間。

群時延波動：濾波器通帶范圍內(nèi)絕對群時延最大值與最小值之差。表征濾波器的色散特性。

功率容量：可以輸入濾波器的通帶信號的最大功率。

相位一致性：同一指標同一批次不同濾波器之間的傳輸信號相位的差值。表征批次濾波器之間的差別(一致性)。

幅度一致性：同一指標同一批次不同濾波器之間的傳輸信號損耗的差值。表征批次濾波器之間的差別(一致性)。

相位線性度：濾波器通帶頻率范圍內(nèi)相位與一條與中心頻率時延相等的傳輸線之間的相位差值。表征濾波器的色散特性。

絕對群時延：濾波器通帶范圍內(nèi)信號從輸入端口傳輸至輸出端口所用的時間。

群時延波動：濾波器通帶范圍內(nèi)絕對群時延最大值與最小值之差。表征濾波器的色散特性。

功率容量：可以輸入濾波器的通帶信號的最大功率。

相位一致性：同一指標同一批次不同濾波器之間的傳輸信號相位的差值。表征批次濾波器之間的差別(一致性)。

幅度一致性：同一指標同一批次不同濾波器之間的傳輸信號損耗的差值。表征批次濾波器之間的差別(一致性)。

聲表面波/體聲波濾波器

聲表采用將電能轉換為表面聲波的方式，利用聲波共振效應實現(xiàn)的濾波。該聲表面波濾波器的特點是體積非常小，Q值相對LC高，采用半導體工藝適合批量生產(chǎn)。一只800MHz左右的濾波器體積大概只有一個0805電容大小。其缺點是功率容量小，不適合小批量定制產(chǎn)品，研發(fā)周期長，研發(fā)成本高。

聲表濾波器通常應用在終端消費電子產(chǎn)品中。

螺旋濾波器

螺旋濾波器是一種半集總參數(shù)的濾波器，其采用放置在空腔內(nèi)的螺旋電感的自諧振來實現(xiàn)諧振器，通過相鄰諧振器的空間磁場實現(xiàn)耦合。

其優(yōu)點是：體積較腔體小，Q值、功率容量較LC高。其缺點是：較難實現(xiàn)寬帶，高頻部分電感不易實現(xiàn)。

螺旋濾波器通常用在500MHz以下20%相對帶寬，100W平均功率，對插損有一定要求的場合。

介質濾波器

紋波：濾波器通帶內(nèi)S21曲線起伏的波峰與波谷之間的差值。

介質濾波器是采用介質填充的四分之一波長短路線或者二分之一開路線實現(xiàn)的半集總濾波器。其優(yōu)點是Q值較LC高，可以實現(xiàn)較LC濾波器頻率高的濾波器。其缺點是寄生較近，諧振器需要定制。

交指濾波器最大的特點是可以實現(xiàn)寬帶，如果采用冗余諧振桿，考慮到機加可是線性，其相對帶寬通?？梢詫掃_60%。同時在K波段時，寬帶的梳狀濾波器機加基本無法加工并且調(diào)試螺釘無法放置，因此在該條件下通常采用交指結構。交指結構與梳狀相比其寄生通帶較近，通常其寄生通帶在1.8F0左右。同體積下，交指濾波器較梳狀濾波器功率容量大。

濾波器是無線通訊系統(tǒng)必不可少的關鍵性部件。

濾波器種類繁多，各種濾波器具有不同的性能特點，因此在濾波器選擇時，通常需要綜合考慮客戶的實際使用環(huán)境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。

在客戶對濾波器指標概念比較模糊時，通常需要詢問客戶體積、損耗、帶外需要抑制的頻率以及抑制度、功率容量等。根據(jù)這幾個簡單的指標要求基本可以判斷出濾波器種類。