對(duì)濾波器的深度解析

濾波器是射頻系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件之一，主要是用來作頻率選擇----讓需要的頻率信號(hào)通過而反射不需要的干擾頻率信號(hào)。 經(jīng)典的濾波器應(yīng)用實(shí)例是接收機(jī)或發(fā)射機(jī)前端，如圖1、圖2所示：

從圖1中可以看到，濾波器廣泛應(yīng)用在接收機(jī)中的射頻、中頻以及基帶部分。雖然對(duì)這數(shù)字技術(shù)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(guān)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;

按實(shí)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(zhì)濾波器、腔體濾波器、高溫超導(dǎo)濾波器、平面結(jié)構(gòu)濾波器。

按不同的頻率響應(yīng)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。

對(duì)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(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)濾波器的需求是需要綜合考量的，也就是說對(duì)于用戶需求來做設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮用戶需求。

濾波器選擇時(shí)，首先需要確定的就是應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。帶通在接收機(jī)前端信號(hào)選擇、發(fā)射機(jī)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(yīng)用，作為一功能性部件，必然有其對(duì)應(yīng)的電性能指標(biāo)用于描述系統(tǒng)對(duì)該部件的性能需求。

對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)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(shù)指標(biāo)有：

階數(shù)(級(jí)數(shù))

絕對(duì)帶寬/相對(duì)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(duì)群時(shí)延

群時(shí)延波動(dòng)

功率容量

相位一致性

幅度一致性

工作溫度范圍

下面對(duì)濾波器這些電性能指標(biāo)作逐一解釋。

階數(shù)(級(jí)數(shù))：對(duì)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(gè)數(shù)總和。對(duì)于帶通濾波器來講，階數(shù)是并聯(lián)諧振器的總數(shù);對(duì)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(duì)帶寬/相對(duì)帶寬：該指標(biāo)通常用于帶通濾波器，表征可以通過濾波器的信號(hào)頻率范圍，體現(xiàn)濾波器的頻率選擇。相對(duì)帶寬是絕對(duì)帶寬與中心頻率的百分比。

五階高通濾波器

截止頻率：截止頻率通常用于高通跟低通濾波器。對(duì)于低通濾波器截止表征濾波器最高能通過的頻率范圍;對(duì)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(cè)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(hào)有多少未能進(jìn)入濾波器而被反射回輸入端。

九階低通濾波器仿真曲線

損耗：損耗表示信號(hào)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(duì)值。表征濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)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(duì)不需要的頻率信號(hào)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(shí)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(duì)群時(shí)延：濾波器通帶范圍內(nèi)信號(hào)從輸入端口傳輸至輸出端口所用的時(shí)間。

群時(shí)延波動(dòng)：濾波器通帶范圍內(nèi)絕對(duì)群時(shí)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(hào)的最大功率。

相位一致性：同一指標(biāo)同一批次不同濾波器之間的傳輸信號(hào)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(biāo)同一批次不同濾波器之間的傳輸信號(hào)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(shí)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(duì)群時(shí)延：濾波器通帶范圍內(nèi)信號(hào)從輸入端口傳輸至輸出端口所用的時(shí)間。

群時(shí)延波動(dòng)：濾波器通帶范圍內(nèi)絕對(duì)群時(shí)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(hào)的最大功率。

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

LC濾波器

聲表面波/體聲波濾波器

聲表采用將電能轉(zhuǎn)換為表面聲波的方式，利用聲波共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的濾波。該聲表面波濾波器的特點(diǎn)是體積非常小，Q值相對(duì)LC高，采用半導(dǎo)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(gè)0805電容大小。其缺點(diǎn)是功率容量小，不適合小批量定制產(chǎn)品，研發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)成本高。

聲表濾波器通常應(yīng)用在終端消費(fèi)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(shí)現(xiàn)諧振器，通過相鄰諧振器的空間磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合。

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

螺旋濾波器通常用在500MHz以下20%相對(duì)帶寬，100W平均功率，對(duì)插損有一定要求的場(chǎng)合。

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(zhì)濾波器

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

梳狀腔體濾波器

交指濾波器最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)寬帶，如果采用冗余諧振桿，考慮到機(jī)加可是線性，其相對(duì)帶寬通?？梢詫掃_(dá)60%。同時(shí)在K波段時(shí)，寬帶的梳狀濾波器機(jī)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(jié)構(gòu)。交指結(jié)構(gòu)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(guān)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(diǎn)，因此在濾波器選擇時(shí)，通常需要綜合考慮客戶的實(shí)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(duì)濾波器指標(biāo)概念比較模糊時(shí)，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(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo)要求基本可以判斷出濾波器種類。

審核編輯：湯梓紅