濾波器基礎(chǔ)知識簡介

濾波器基礎(chǔ)知識簡介無源專業(yè)部劉遠(yuǎn)慶當(dāng)前第1頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)內(nèi)容提要概要濾波器的類型界定濾波器性能的電特性指標(biāo)各種濾波的性能特點(diǎn)總結(jié)當(dāng)前第2頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)概要濾波器是射頻系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件之一，主要是用來作頻率選擇----讓需要的頻率信號通過而反射不需要的干擾頻率信號。

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：當(dāng)前第3頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)概要圖1超外差接收機(jī)前段當(dāng)前第4頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)概要從圖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。當(dāng)前第5頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型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。當(dāng)前第6頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型按不同的頻率響應(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。當(dāng)前第7頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型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(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。當(dāng)前第8頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫低通濾波器當(dāng)前第9頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫帶通濾波器當(dāng)前第10頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫高通濾波器當(dāng)前第11頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫帶阻濾波器當(dāng)前第12頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)濾波器的類型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。當(dāng)前第13頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)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，必然有其對應(yīng)的電性能指標(biāo)用于描述系統(tǒng)對該部件的性能需求。對應(yīng)不同的應(yīng)用場合，對濾波器某些電器性能特性有不同的要求。當(dāng)前第14頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)描述濾波器電性能技術(shù)指標(biāo)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當(dāng)前第15頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)損耗通帶平坦度相位線性度絕對群時(shí)延群時(shí)延波動(dòng)功率容量相位一致性當(dāng)前第16頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)幅度一致性工作溫度范圍當(dāng)前第17頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)下面對濾波器這些電性能指標(biāo)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(gè)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(biāo)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。當(dāng)前第18頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)五階低通濾波器五階高通濾波器當(dāng)前第19頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)二階帶通濾波器五階帶阻濾波器當(dāng)前第20頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)六階帶通濾波器仿真曲線當(dāng)前第21頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)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(jìn)入濾波器而被反射回輸入端。當(dāng)前第22頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)九階低通濾波器仿真曲線當(dāng)前第23頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)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。當(dāng)前第24頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)損耗：損耗表示信號通過濾波器后損失帶通濾波器仿真S參數(shù)曲線當(dāng)前第25頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)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。絕對群時(shí)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(shí)間。群時(shí)延波動(dòng)：濾波器通帶范圍內(nèi)絕對群時(shí)延最大值與最小值之差。表征濾波器的色散特性。當(dāng)前第26頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)帶通濾波器仿真S參數(shù)曲線當(dāng)前第27頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)帶通濾波器仿真S參數(shù)曲線當(dāng)前第28頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)帶通濾波器仿真群時(shí)延曲線當(dāng)前第29頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)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(biāo)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(biāo)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）。當(dāng)前第30頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)工作溫度范圍：濾波器能按用戶需求指標(biāo)能正常工作的溫度范圍。表征濾波器的對溫度環(huán)境的適應(yīng)性。當(dāng)前第31頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)界定濾波器性能的電特性指標(biāo)帶通濾波器相位線性度仿真曲線當(dāng)前第32頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)各種不同結(jié)構(gòu)類型的濾波器，有自身不同的性能特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對應(yīng)著不同的應(yīng)用場合。合理的選擇濾波器的結(jié)構(gòu)，有助于改善不同需求的系統(tǒng)性能。下面講述不同結(jié)構(gòu)類型的濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)前第33頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)LC濾波器LC濾波器是采用恰當(dāng)?shù)碾娙?、電感來?gòu)成的濾波器，實(shí)際設(shè)計(jì)中，LC濾波器通?？蓪?shí)現(xiàn)低通、帶通、高通、帶阻濾波器。LC濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、成本低、寄生通帶遠(yuǎn)，但其缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高頻濾波的電感。因此LC濾波器通常只用來設(shè)計(jì)制作4GHz以下頻率的濾波器。當(dāng)前第34頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)LC濾波器當(dāng)前第35頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)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，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。當(dāng)前第36頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)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%相對帶寬，100W平均功率，對插損有一定要求的場合。當(dāng)前第37頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)螺旋濾波器當(dāng)前第38頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)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(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。當(dāng)前第39頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)介質(zhì)濾波器當(dāng)前第40頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)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。其中梳狀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)200MHz~15GHz，帶寬30%內(nèi)的各種指標(biāo)要求的濾波器；交指可實(shí)現(xiàn)800MHz~26GHz，帶寬40%以內(nèi)的各種指標(biāo)要求的濾波器。當(dāng)前第41頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)波導(dǎo)腔常用來實(shí)現(xiàn)8GHz~60GHz,相對帶寬15%以內(nèi)的濾波器。介質(zhì)腔體濾波器通常用來實(shí)現(xiàn)2GHz~18GHz,相對帶寬0.1%~1.5%以內(nèi)的各種技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)相對帶寬較寬的遠(yuǎn)寄生通帶特性，同時(shí)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。當(dāng)前第42頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)梳狀腔體濾波器當(dāng)前第43頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)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，其相對帶寬通常可以寬達(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。當(dāng)前第44頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)交指雙工器當(dāng)前第45頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)波導(dǎo)腔濾波器具有高Q、高功率容量等特點(diǎn)，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(shí)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(biāo)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(gè)數(shù)量級，因此在大功率雷達(dá)當(dāng)前第46頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)天線饋源處常使用波導(dǎo)腔濾波器。另外，當(dāng)頻率很高，在K（18~26.5GHz)、Ka（26.5~40GHz)、Q（33~60GHz)波段,梳狀、交指濾波器基本無法加工，此時(shí)采用波導(dǎo)腔濾波器基本上唯一選擇。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(gè)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。當(dāng)前第47頁\共有50頁\編于星期五\10點(diǎn)各種濾波器的性能特點(diǎn)平面結(jié)構(gòu)的濾波器中通常由微帶、帶狀線、懸置帶線來實(shí)現(xiàn)。微帶、帶狀線濾波器常規(guī)應(yīng)用較少，懸置帶線應(yīng)用相對較多，其原因是懸置帶線寄生特性較好，并且在結(jié)構(gòu)上易于實(shí)現(xiàn)分布電容，因此懸置帶線濾波器適合做超寬帶（相對帶寬大于50%）的帶通濾波器、或高通濾波器，懸置微帶的低通濾波器也有較多應(yīng)用，主