簡單介紹不同類型濾波器的優(yōu)缺點

濾波器種類

濾波器種類繁多，按實現(xiàn)方式可以分為：LC濾波器、腔體濾波器、聲表面波/體聲波濾波器、螺旋濾波器、介質(zhì)濾波器、高溫超導(dǎo)濾波器、平面結(jié)構(gòu)濾波器。下面我們簡單介紹不同類型濾波器的優(yōu)缺點：

1. LC濾波器

LC濾波器是采用恰當?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容、電感來構(gòu)成的濾波器，實際設(shè)計中，LC濾波器通?？蓪崿F(xiàn)低通、帶通、高通、帶阻濾波器。LC濾波器的優(yōu)點是：體積小、成本低、寄生通帶遠，但其缺點是相對損耗大，帶外選擇性能較差，功率容量小。另外，LC濾波器中電感采用繞制線圈的方式，因此較難實現(xiàn)高頻濾波的電感。因此LC濾波器通常只用來設(shè)計制作4GHz以下頻率的濾波器。

2. 腔體濾波器

腔體濾波器是濾波器家族中最為重要的類型之一，在射頻系統(tǒng)中的前端有非常廣泛的應(yīng)用。其中發(fā)射后端(功放后)、接收前端(LNA前/后)均為不可為其他類型濾波器替代。腔體濾波器可以分為：梳狀、交指、波導(dǎo)腔、介質(zhì)腔等。

梳狀腔體濾波器：梳狀結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)200MHz-15GHz，帶寬30%內(nèi)的各種指標要求的濾波器;梳狀腔體濾波器與其他幾種腔體濾波器相比最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)相對帶寬較寬的遠寄生通帶特性，同時在相同帶寬以及帶外抑制的情況下可以做到腔體濾波器中的最小體積。但是梳狀腔由于腔體內(nèi)存在加載電容，因此功率容量較低。

交指可實現(xiàn)800MHz-26GHz，帶寬40%以內(nèi)的各種指標要求的濾波器。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，其相對帶寬通常可以寬達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(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。

波導(dǎo)腔常用來實現(xiàn)8GHz-60GHz,相對帶寬15%以內(nèi)的濾波器。波導(dǎo)腔濾波器具有高Q、高功率容量等特點，但是波導(dǎo)腔的濾波器一般體積較大，在對損耗要求不是太高的情況下，一般都是使用交指或梳狀濾波器來實現(xiàn)。但是對損耗要求較高的窄帶濾波器，并且對體積要求不高的條件下，波導(dǎo)腔還是較好的選擇之一。一般同等技術(shù)指標下，波導(dǎo)腔濾波器的損耗約為交指或者梳狀濾波器的一半。此外，波導(dǎo)腔濾波器的功率容量大約比交指、梳狀濾波器的功率容量高一個數(shù)量級，因此在大功率雷達天線饋源處常使用波導(dǎo)腔濾波器。

介質(zhì)腔體濾波器通常用來實現(xiàn)2GHz-18GHz,相對帶寬0.1%-1.5%以內(nèi)的各種技術(shù)指標的濾波器。介質(zhì)腔濾波器屬于濾波器中Q值最高的，其Q值約為波導(dǎo)空腔的2~5倍，比梳狀、交指結(jié)構(gòu)的濾波器Q值高約一個數(shù)量級。但是介質(zhì)腔濾波器體積較大，帶外寄生很近，帶寬不能做得很寬，因此介質(zhì)腔濾波器通常用在相對帶寬低于1%，但是損耗要求較高的場合。

3. 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(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(yīng)用在終端消費電子產(chǎn)品中。

4. 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。

5. 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。

RF濾波器基礎(chǔ)

與天線一樣，濾波器正成為聯(lián)網(wǎng)混頻器中一個日益重要的部分。

移動無線數(shù)據(jù)和 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的快速增長也導(dǎo)致了對新頻段以及通過載波聚合來組合頻段的需求不斷增長，以容納無線流量。3G 網(wǎng)絡(luò)只使用了大約五個頻段，LTE 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在使用的頻段有 40 多個，隨著 5G 的到來，頻段的使用數(shù)量還會進一步增加。

互聯(lián)設(shè)備必須要跨多個頻段來發(fā)送蜂窩信號、Wi-Fi 信號、藍牙信號和 GPS 信號，同時還要避免干擾。我們可能會立即想到智能手機，但安裝在車頂?shù)孽忯~鰭、蜂窩基站、雷達和通

信系統(tǒng)以及與物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 相連接的工業(yè)、科學或醫(yī)療應(yīng)用都是如此。這時就需要濾波器出場了。

設(shè)備會收到各種頻率，而濾波器可以讓所需頻率通過，同時抑制不需要的頻率。換句話說，濾波器就像是約翰·羅納德·瑞爾·托爾金的著作《指環(huán)王》中的甘道夫一樣：“你休想從這里過去!”

如今的設(shè)備為了避免被干擾，通常裝有 30 到 40 個濾波器。隨著下一代高端智能手機所需的濾波器數(shù)量更多，這一情況還會變得更加復(fù)雜。#沒有濾波器的智能手機就是一塊磚頭。

濾波挑戰(zhàn)

濾波器是 RF 設(shè)計工程師必不可少的工具，但它們也面臨著諸多挑戰(zhàn)。對于起動器來說，濾波器的性能會隨著溫度的變化而變化。如今各種設(shè)備中的濾波器所承受的平均溫度可達 60 攝氏度(140 華氏度)或更高，而室內(nèi)濾波器所承受的平均溫度為 25 攝氏度(77 華氏度)。鯊魚鰭或車頂中嵌入的濾波器所承受的溫度甚至更高。

濾波器的溫度越高，就越難過濾掉特定頻率，信號因而就越有可能“漂移”至相鄰頻段。“我特別喜歡靜態(tài)白噪聲、電話合用線，還有通話掉線”，從來沒人會這樣說。

由于新分配的很多頻段與現(xiàn)有頻段十分接近，管理溫度漂移便顯得尤為重要。與此同時，載波聚合 (CA) 也在迅速發(fā)展，蜂窩服務(wù)提供商最多可將 5 個載波信道組合在一起來提高網(wǎng)絡(luò)性能，其中精確濾波是必備條件。

為了解決溫度問題，RF 行業(yè)正在開發(fā)低漂移和無漂移的濾波器技術(shù)。表面聲波 (SAW) 和體聲波 (BAW) 濾波器在溫度發(fā)生變化時依然能保持性能高度穩(wěn)定，可滿足新興設(shè)備嚴苛的性能要求。

如上文所述，下一代的高端智能手機同樣需要配備更多濾波器。與 RF 的所有其他組件類似，留給濾波器的空間十分有限。工程師必須要能將多個濾波器整合進更小的空間內(nèi)，才能發(fā)揮出更高性能。

這是一些非常喜歡的 RF 組件。雙工器、三工器、四工器，甚至是六工器，這類設(shè)備統(tǒng)稱為多路復(fù)用器。多路復(fù)用器可將多個濾波器整合在一個器件中，從而幫助設(shè)計人員節(jié)省空間、簡化設(shè)計、滿足性能要求，同時還能避免干擾。

最后的挑戰(zhàn)是 Wi-Fi。盡管一些人可能仍在使用智能手機發(fā)短信、打電話，但大多數(shù)人都會用智能手機來瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻以及訪問社交媒體。因為 LTE 和 Wi-Fi 的頻段非常接近，所以如果未經(jīng)濾波，Wi-Fi 信號就會導(dǎo)致設(shè)備接收 LTE 信號的靈敏度降低。而靈敏度降低會給我們帶來很多麻煩，如通話掉線或中斷。

為此，我們需要一種特殊的濾波器。共存濾波器可讓 Wi-Fi 和 LTE 信號和諧共存。絕對名副其實。這種濾波器可以抑制緊密相鄰的頻率，這樣我們在瀏覽朋友的 Instagram 故事時才不會錯過媽媽的電話。它們在車聯(lián)網(wǎng)中也起著重要作用，因為 LTE、Wi-Fi、藍牙、GPS 以及車對車 (V2V) 和車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信必須在沒有干擾的情況下共存。

沒有濾波器，就會出現(xiàn)無線交通阻塞。在如今的移動環(huán)境中，一個設(shè)備所需的頻段數(shù)量十分驚人，而隨著 5G 時代的到來，這一趨勢只會愈演愈烈。雖然支持所有頻段會帶來干擾問題，但采用濾波器后問題便可迎刃而解。沒有濾波器，網(wǎng)絡(luò)根本無法運轉(zhuǎn)。

審核編輯：湯梓紅