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濾波器的基礎知識:種類/作用/原理

濾波器是射頻系統中必不可少的關鍵部件之一,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。

經典的濾波器應用實例是接收機或發射機前端,如下圖所示:

超外差接收機前段

 

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。雖然對數字技術的發展,采用數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,濾波器是射頻系統中必不可少的關鍵性部件之一。

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。雖然對數字技術的發展,采用數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,濾波器是射頻系統中必不可少的關鍵性部件之一。

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;

按實現方式可以分為:LC濾波器、聲表面波/體聲波濾波器、螺旋濾波器、介質濾波器、腔體濾波器、高溫超導濾波器、平面結構濾波器。
按不同的頻率響應函數可以分為:切比雪夫、廣義切比雪夫、巴特沃斯、高斯、貝塞爾函數、橢圓函數等。
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。
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。

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用。帶通在接收機前端信號選擇、發射機功放后雜散抑制、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。

描述濾波器電性能技術指標有:

階數(級數)
絕對帶寬/相對帶寬
截止頻率
駐波
帶外抑制
紋波
損耗
通帶平坦度
相位線性度
絕對群時延
群時延波動
功率容量
相位一致性
幅度一致性
工作溫度范圍

 

 

下面對濾波器這些電性能指標作逐一解釋。

階數(級數):對于高通和低通濾波器來講,階數就是濾波器中電容、電感的個數總和。對于帶通濾波器來講,階數是并聯諧振器的總數;對于帶阻濾波器來講,階數是串聯諧振器與并聯諧振器的總數。
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。

五階低通濾波器

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:即矢網測得的S11,表示濾波器端口阻抗與系統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。

九階低通濾波器仿真曲線

 

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。
紋波:濾波器通帶內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:濾波器通帶范圍內絕對群時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)。
相位線性度:濾波器通帶頻率范圍內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:濾波器通帶范圍內絕對群時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)。

 

聲表面波/體聲波濾波器
聲表采用將電能轉換為表面聲波的方式,利用聲波共振效應實現的濾波。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。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品,研發周期長,研發成本高。
聲表濾波器通常應用在終端消費電子產品中。

螺旋濾波器

 

螺旋濾波器:

螺旋濾波器是一種半集總參數的濾波器,其采用放置在空腔內的螺旋電感的自諧振來實現諧振器,通過相鄰諧振器的空間磁場實現耦合。
其優點是:體積較腔體小,Q值、功率容量較LC高。其缺點是:較難實現寬帶,高頻部分電感不易實現。
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。

介質濾波器

紋波:濾波器通帶內S21曲線起伏的波峰與波谷之間的差值。


介質濾波器

介質濾波器是采用介質填充的四分之一波長短路線或者二分之一開路線實現的半集總濾波器。其優點是Q值較LC高,可以實現較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。

梳狀腔體濾波器

交指濾波器最大的特點是可以實現寬帶,如果采用冗余諧振桿,考慮到機加工是線性,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試螺釘無法放置,因此在該條件下通常采用交指結構。交指結構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必不可少的關鍵性部件。

濾波器種類繁多,各種濾波器具有不同的性能特點,因此在濾波器選擇時,通常需要綜合考慮客戶的實際使用環境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。

在客戶對濾波器指標概念比較模糊時,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。根據這幾個簡單的指標要求基本可以判斷出濾波器種類。

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