濾波器基礎知識簡介演示文稿

濾波器基礎知識簡介演示文稿當前第1頁\共有49頁\編于星期一\6點濾波器基礎知識簡介當前第2頁\共有49頁\編于星期一\6點內(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各種濾波的性能特點總結(jié)當前第3頁\共有49頁\編于星期一\6點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)典的濾波器應用實例是接收機或發(fā)射機前端，如圖1、圖2所示：當前第4頁\共有49頁\編于星期一\6點概要圖1超外差接收機前段當前第5頁\共有49頁\編于星期一\6點概要從圖1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(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。當前第6頁\共有49頁\編于星期一\6點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、高溫超導濾波器、平面結(jié)構(gòu)濾波器。當前第7頁\共有49頁\編于星期一\6點濾波器的類型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。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。當前第8頁\共有49頁\編于星期一\6點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。當前第9頁\共有49頁\編于星期一\6點濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫低通濾波器當前第10頁\共有49頁\編于星期一\6點濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫帶通濾波器當前第11頁\共有49頁\編于星期一\6點濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫高通濾波器當前第12頁\共有49頁\編于星期一\6點濾波器的類型巴特沃斯與切比雪夫帶阻濾波器當前第13頁\共有49頁\編于星期一\6點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。當前第14頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標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。當前第15頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標描述濾波器電性能技術(shù)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當前第16頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標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當前第17頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標幅度一致性工作溫度范圍當前第18頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標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。當前第19頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標五階低通濾波器五階高通濾波器當前第20頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標二階帶通濾波器五階帶阻濾波器當前第21頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標六階帶通濾波器仿真曲線當前第22頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標截止頻率：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。當前第23頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標九階低通濾波器仿真曲線當前第24頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標損耗：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。當前第25頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標損耗：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)曲線當前第26頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標紋波：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。當前第27頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標帶通濾波器仿真S參數(shù)曲線當前第28頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標帶通濾波器仿真S參數(shù)曲線當前第29頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標帶通濾波器仿真群時延曲線當前第30頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標功率容量：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）。當前第31頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標工作溫度范圍：濾波器能按用戶需求指標能正常工作的溫度范圍。表征濾波器的對溫度環(huán)境的適應性。當前第32頁\共有49頁\編于星期一\6點界定濾波器性能的電特性指標帶通濾波器相位線性度仿真曲線當前第33頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點各種不同結(jié)構(gòu)類型的濾波器，有自身不同的性能特點，這些特點對應著不同的應用場合。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。當前第34頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點LC濾波器LC濾波器是采用恰當?shù)碾娙?、電感來?gòu)成的濾波器，實際設計中，LC濾波器通常可實現(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計制作4GHz以下頻率的濾波器。當前第35頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點LC濾波器當前第36頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點聲表面波/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。當前第37頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點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。當前第38頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點螺旋濾波器當前第39頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點介質(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。當前第40頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點介質(zhì)濾波器當前第41頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點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、波導腔、介質(zhì)腔等。其中梳狀結(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；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。當前第42頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點波導腔常用來實現(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。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。當前第43頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點梳狀腔體濾波器當前第44頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點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。當前第45頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點交指雙工器當前第46頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點波導腔濾波器具有高Q、高功率容量等特點，但是波導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，波導腔還是較好的選擇之一。一般同等技術(shù)指標下，波導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，因此在大功率雷達當前第47頁\共有49頁\編于星期一\6點各種濾波器的性能特點天線饋源處常使用波導腔濾波器。另外，當頻率很高，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，此時采用波導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