1.8濾波器電路

1、1.8 濾波器電路11.8.1 濾波器的基本結(jié)構(gòu)和特性濾波器是一種能夠選擇性地通過或阻止（抑制）某頻段信號的電路。根據(jù)其通過（或阻止）信號的頻率來分類，可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。濾波器可以采用LC、RC、LCR、LR或者是分布參數(shù)元件構(gòu)成。濾波器還可以分為有源濾波器和無源濾波器兩種。有源濾波器由運算放大器和集總參數(shù)無源元件構(gòu)成；無源濾波器主要由集總參數(shù)或分布參數(shù)元件構(gòu)成，包括陶瓷濾波器、晶體濾波器和SAW濾波器。21低通濾波器低通濾波器電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1.8.1所示，允許所有低于截止頻率fc（定義為：通帶幅度響應(yīng)下降3dB處的頻率，即3dB點的頻率）的信號通過（

2、見圖1.8.2）。低通濾波器用來濾除高于截止頻率fc的信號諧波成分和干擾信號。3 圖1.8.1 LC低通濾波器 圖1.8.2 低通濾波器幅頻特性42高通濾波器高通濾波器電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1.8.3所示，允許所有高于截止頻率fc的信號通過（見圖1.8.4）。高通濾波器用來消除低于截止頻率fc的信號干擾。 圖1.8.3 LC高通濾波器 圖1.8.4 高通濾波器幅頻特性53帶通濾波器帶通濾波器電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1.8.5所示，允許所有在低端截止頻率（fL）和高端截止頻率（fH）之間的信號通過（見圖1.8.6）。在fL和fH以外的信號將被阻止。帶通濾波器的Q值定義為中心頻率與帶寬之比。例如，一個帶通濾

3、波器的中心頻率是10 000kHz，通帶帶寬為25kHz，Q值為10 00025=400。 6 圖1.8.5 LC帶通濾波器 圖1.8.6 帶通濾波器幅頻特性74帶阻濾波器帶阻濾波器電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1.8.7所示，允許所有低于低端截止頻率（fL）和高于高端截止頻率（fH）的信號通過（見圖1.8.8）。在fL和fH之內(nèi)的信號將被阻止。帶阻濾波器的帶寬可以設(shè)計成寬帶或者是窄帶形式的。窄帶帶阻濾波器可用來抑制（阻止）一個單一頻率。8圖1.8.7 LC帶阻濾波器圖1.8.8 帶通濾波器幅頻特性91.8.2 濾波器的基本參數(shù)LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、聲表面波濾波器（SAW）和分布參數(shù)濾波器這

4、些不同種類的濾波器在射頻電路中廣泛應(yīng)用，它們的尺寸、價格、性能各不相同，應(yīng)用范圍也不同。例如：LC濾波器適合精確濾波波形的應(yīng)用，工作頻率范圍從1kHz1.5GHz。但是對于需要陡峭的邊緣的濾波波形（窄帶濾波），LC濾波器是不合適的。在帶通濾波器和帶阻濾波器中經(jīng)常使用晶體濾波器，工作頻率范圍在10kHz400MHz。聲表面波濾波器的頻率邊緣響應(yīng)是最陡峭的，在20MHz3GHz頻帶中可以代替LC濾波器，具有625dB的插入損耗。10分布參數(shù)濾波器利用印制電路板上的銅箔（導(dǎo)線）構(gòu)成窄帶或者寬帶濾波器，工作頻率范圍從500MHz40GHz（以上），具有很高的Q值。但是視其頻率和設(shè)計不同，它將占用大量的

5、印制電路板空間。一些不同結(jié)構(gòu)的濾波器具有不同的特性。例如巴特沃斯（Butterworth）濾波器，頻率響應(yīng)具有最大平坦性，具有中等的選擇性，適中的群延時，對元件的變化不是那么敏感。切比雪夫（Chebyshev）濾波器具有很高的頻率選擇性，但頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)有一定的紋波，該紋波在信號通過濾波器輸出端時強行加入到信號中，具有高的群延遲變化。貝塞爾（Bessel）濾波器在整個通帶內(nèi)沒有紋波，并且只有很小的群延遲變化，但它的選擇性很差，對元件的要求很高。 11濾波器的一些重要的參數(shù)1絕對衰減（Absolute attenuation）絕對衰減是指在阻帶中某一特定的頻段上，濾波器所能達到的最大的衰減，單

6、位為dB。2帶寬（Bandwidth）對于帶通濾波器，帶寬的定義是通帶內(nèi)3dB衰減的兩個截止頻率點之間的間隔（fHfL），單位為Hz。3中心頻率（Center frequency）中心頻率指通帶的中心點頻率，單位為Hz。4截止頻率（Cutoff frequency）截止頻率指相對平均的通帶頻率響應(yīng)，下降達到3dB的頻率點，單位為Hz。125倍頻衰減量（dB/octave，Decibels of attenuation Per octave）倍頻衰減量表現(xiàn)濾波器的頻率響應(yīng)的陡峭程度。通過倍頻衰減量，可以了解當(dāng)頻率相對通帶增加或者減少時的衰減。6差分延遲（Differential delay）差分

7、延遲是指在兩種不同頻率之間的群延遲變化（GDV，Group Delay Variation），單位為ns。7群延遲（GD，Group Delay）群延遲指任何離散信號通過濾波器或電路時所產(chǎn)生的在時間上的延遲，單位為ns。任何有陡峭的頻率響應(yīng)，或是有高極點的濾波器都有很高的群延遲變化。降低GD值可以通過采用增加濾波器帶寬；或選擇較少的極點；或者選擇巴特沃斯濾波器；或滿足特定選擇性的條件下，用貝塞爾濾波器。群延遲變化直接等同于上面所述的差分延遲。138插入損耗（Insertion Ioss）插入損耗是濾波器固有的、某種程度的功率損耗，插入損耗定量地描述了功率響應(yīng)幅度與0 dB基準(zhǔn)的差值，其數(shù)學(xué)表達

8、式為 （1.8.1）式中，PL是濾波器向負(fù)載輸出的功率；Pin是濾波器從信號源得到的輸入功率；|in|是從信號源向濾波器看去的反射系數(shù)，單位為dB。9插入損耗線性系數(shù)（Insertic loss linearity）插入損耗線性系數(shù)是指反映插入損耗隨著輸入功率的變化而變化的情況，單位為dB。1410通頻帶（Passband）在幅頻特性曲線上衰減3dB的兩個頻率點fH和fL之間的頻率差（fH和fL是插入損耗達到3dB的兩個頻率點），單位為Hz。11通頻帶波動（Passband ripple）通頻帶波動表示在通頻帶內(nèi)幅度的起伏。12相移（Phase shift）相移指用來表示輸入信號和輸出信號的相

9、位差。13極點（Poles）極點是指在低通或高通濾波器中，電抗元件的個數(shù)，如電感、電容；或在帶通濾波器中電抗元件對的數(shù)量。對全極點濾波器而言，其極點和階數(shù)是一致的，并且其極點數(shù)量決定了濾波器幅頻特性的陡峭程度。1514品質(zhì)因數(shù)Q（Quality factor）品質(zhì)因數(shù)Q為中心頻率與3dB帶寬的比值。對于同一個中心頻率，帶寬越窄，則Q越高。在LC濾波器電路中，如果元件的Q值較小的話，則濾波器的插入損耗會提高，在阻帶內(nèi)的衰減特性也會變差，濾波器在通帶邊緣的響應(yīng)也會變得圓滑。15回波損耗（Return loss）回波損耗用來表示輸入功率和反射功率的關(guān)系，單位為dB。由于回波損耗的影響，有一部分的輸入

10、功率不能到達負(fù)載端，而是返回了輸入端。16紋波（Ripple）紋波反映了通帶內(nèi)信號響應(yīng)的平坦度，單位為dB。在數(shù)字系統(tǒng)中，高的紋波會引起高的誤比特率。1617紋波損耗（Ripple loss）紋波損耗指在濾波器的通帶內(nèi)最大衰減值和最小衰減值之間的差別。18矩形因數(shù)（Shape factor）矩形因數(shù)為60dB帶寬（BW60dB）與3dB帶寬（BW3dB）的比值，它描述了濾波器在截止頻率附近響應(yīng)曲線變化的陡峭程度，即SF=BW60dB/ BW3dB （1.8.2）1719寄生響應(yīng)（Spurious responses）寄生響應(yīng)是由濾波元件本身的引線及寄生電感、電容等的電抗，在不同的頻率下諧振導(dǎo)致

11、的。如AT切割類型的晶體濾波器，將會在奇數(shù)倍的基頻上有此種響應(yīng)。分布式微波濾波器還有一個再進入模式，它能夠使得在阻帶內(nèi)獲得第二個通帶。20阻帶（Reject band）阻帶是指帶通、低通、高通、帶阻濾波器衰減到預(yù)定的水平的頻帶部分，一般是60dB（或者更少），是在截止頻率以外的衰減更大的頻率部分，單位為Hz。181.8.3 集總參數(shù)濾波器設(shè)計集總參數(shù)濾波器由分立的電感L、電容C和電阻R元件構(gòu)成，它可以設(shè)計成低通、高通、帶通和帶阻濾波器形式。1LC低通濾波器LC低通濾波器如圖1.8.1所示，一個在輸入端串聯(lián)一個電感，而另外一個則是在輸入端并聯(lián)一個電容。這是構(gòu)成LC低通濾波器的基本模塊，亦稱之為半

12、節(jié)（Half section）。通過級聯(lián)這些半節(jié)可以得到具有任意邊緣陡峭程度的濾波器。LC低通濾波器兩個半節(jié)的連接方法如圖1.8.9所示。如果要求低通濾波器阻止直流分量，應(yīng)在輸入端加一個很大的電容，使在最低頻率上的電抗為最?。ㄈ?）。19圖1.8.9 LC低通濾波器兩個半節(jié)的連接方法20LC低通濾波器半節(jié)的L和C的計算公式如下： （1.8.3） （1.8.4）式中，R0為濾波器輸入和輸出阻抗；fc是濾波器的3dB截止頻率。由于級聯(lián)效應(yīng)（Cascade effect），隨著濾波器節(jié)數(shù)的增加，實際的截止頻率fc會降低。LC低通濾波器級聯(lián)后，截止頻率fc修正系數(shù)見表1.8.1。 212LC高通濾波器

13、LC高通濾波器如圖1.8.3所示，一個在輸入端串聯(lián)一個電容，而另外一個則是在輸入端并聯(lián)一個電感。與低通濾波器類似，這些基本的LC高通濾波器模塊亦稱之為半節(jié)。通過級聯(lián)這些半節(jié)就可以構(gòu)成具有任意要求的極點數(shù)目的高通濾波器。LC高通濾波器兩個半節(jié)的連接方法如圖1.8.10所示。如果要求高通濾波器阻止直流分量，應(yīng)選擇T型連接形式。22圖1.8.10 LC高通濾波器兩個半節(jié)的連接方法23LC高通濾波器半節(jié)的L和C的計算公式如下： （1.8.5） （1.8.6）式中，R0為濾波器輸入和輸出阻抗；fc是濾波器的3dB截止頻率。由于級聯(lián)效應(yīng)（Cascade effect），需要對截止頻率fc進行修正。LC高通

14、濾波器級聯(lián)后，截止頻率fc修正系數(shù)見表1.8.2。 243LC帶通濾波器LC帶通濾波器如圖1.8.5所示。與低通和高通濾波器類似，這些基本的LC帶通濾波器模塊亦稱之為半節(jié)。通過級聯(lián)這些半節(jié)就可以構(gòu)成具有任意要求的極點數(shù)目的帶通濾波器。LC帶通濾波器兩個半節(jié)的連接方法如圖1.8.11所示。25圖1.8.11 LC帶通濾波器兩個半節(jié)的連接方法26LC帶通濾波器半節(jié)的L和C的計算比低通濾波器和高通濾波器復(fù)雜，元件個數(shù)要加倍，截止頻率變?yōu)閮蓚€，公式如下，即 式中，R0為濾波器輸入和輸出阻抗；fH為帶通濾波器上限截止頻率；fL為帶通濾波器下限截止頻率。 27LC帶阻濾波器也可以參照類似方法進行設(shè)計。在濾

15、波器設(shè)計中應(yīng)注意：高Q值的電感可以減少插入損耗和降低邊緣的圓滑程度；電容器的電容誤差、溫度特性及分布參數(shù)（分布電感和分布電容）形成的電抗，都會引起通帶特性、中心頻率和回波損耗發(fā)生變化。設(shè)計時，需要考慮濾波器的費用（成本），濾波器的插入損耗、群延遲變化和物理尺寸等要求。應(yīng)該盡量選擇最小的階數(shù)以滿足設(shè)計要求。281.8.4 天線分離濾波器 在無線電收發(fā)機的射頻輸入、輸出端，通常需要使用天線分離濾波器。天線分離濾波器由兩個或多個濾波器構(gòu)成，用來分離兩個或多個不同頻率的信號。由兩個濾波器組成的天線分離濾波器有帶通帶通天線分離濾波器、帶通低通天線分離濾波器、低通高通天線分離濾波器等結(jié)構(gòu)形式。29帶通帶通天線分離濾波器方框圖如圖1.8.12所示。接收時，天線接收頻率為fr1