[分享] 滤波器的基础知识：种类/作用/原理

滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一，主要是用来作频率选择----让需要的频率信号通过而反射不需要的干扰频率信号。

经典的滤波器应用实例是接收机或发射机前端，如图1、图2所示：

 

 

从图1中可以看到，滤波器广泛应用在接收机中的射频、中频以及基带部分。虽然对这数字技术的发展，采用数字滤波器有取代基带部分甚至中频部分的模拟滤波器，但射频部分的滤波器任然不可替代。因此，滤波器是射频系统中必不可少的关键性部件之一。

滤波器的分类有很多种方法。例如：
按频率选择的特性可以分为：低通、高通、带通、带阻滤波器等；

按实现方式可以分为：LC滤波器、声表面波/体声波滤波器、螺旋滤波器、介质滤波器、腔体滤波器、高温超导滤波器、平面结构滤波器。
按不同的频率响应函数可以分为：切比雪夫、广义切比雪夫、巴特沃斯、高斯、贝塞尔函数、椭圆函数等。
对于不同的滤波器分类，主要是从不同的滤波器特性需求来描述滤波器的不同特征。
滤波器的这种众多分类方法所描述的滤波器不同的众多特征，集中体现出了实际工程应用中对滤波器的需求是需要综合考量的，也就是说对于用户需求来做设计时，需要综合考虑用户需求。
滤波器选择时，首先需要确定的就是应该使用低通、高通、带通还是带阻的滤波器。
下面首先介绍一下按频率选择的特性分类的高通、低通、带通以及带阻的频率响应特性及其作用。

 

巴特沃斯切比雪夫带通滤波器

 

巴特沃斯切比雪夫高通滤波器

最常用的滤波器是低通跟带通。低通在混频器部分的镜像抑制、频率源部分的谐波抑制等有广泛应用。带通在接收机前端信号选择、发射机功放后杂散抑制、频率源杂散抑制等方面广泛使用。

滤波器在微波射频系统中广泛应用，作为一功能性部件，必然有其对应的电性能指标用于描述系统对该部件的性能需求。

对应不同的应用场合，对滤波器某些电器性能特性有不同的要求。

描述滤波器电性能技术指标有：

阶数（级数）
绝对带宽/相对带宽
截止频率
驻波
带外抑制
纹波
损耗
通带平坦度
相位线性度
绝对群时延
群时延波动
功率容量
相位一致性
幅度一致性
工作温度范围

 

下面对滤波器这些电性能指标作逐一解释。

阶数（级数）：对于高通和低通滤波器来讲，阶数就是滤波器中电容、电感的个数总和。对于带通滤波器来讲，阶数是并联谐振器的总数；对于带阻滤波器来讲，阶数是串联谐振器与并联谐振器的总数。
绝对带宽/相对带宽：该指标通常用于带通滤波器，表征可以通过滤波器的信号频率范围，体现滤波器的频率选择。相对带宽是绝对带宽与中心频率的百分比。

五阶高通滤波器

 

截止频率：截止频率通常用于高通跟低通滤波器。对于低通滤波器截止表征滤波器最高能通过的频率范围；对于高通滤波器，截止频率表征滤波器最低能通过的频率范围。
驻波：即矢网测得的S11，表示滤波器端口阻抗与系统所需阻抗的匹配程度。表示输入信号有多少未能进入滤波器而被反射回输入端。

九阶低通滤波器仿真曲线

 

损耗：损耗表示信号通过滤波器后损失的能量，也就是滤波器消耗的能量。
通带平坦度：滤波器通带范围内损耗最大值与损耗最小值之差的绝对值。表征滤波器对不同频率信号的能量消耗的区别。
带外抑制：滤波器通带频率范围以外的“衰减量”。表征滤波器对不需要的频率信号的选择能力。
纹波：滤波器通带内S21曲线起伏的波峰与波谷之间的差值。
相位线性度：滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值。表征滤波器的色散特性。
绝对群时延：滤波器通带范围内信号从输入端口传输至输出端口所用的时间。
群时延波动：滤波器通带范围内绝对群时延最大值与最小值之差。表征滤波器的色散特性。
功率容量：可以输入滤波器的通带信号的最大功率。
相位一致性：同一指标同一批次不同滤波器之间的传输信号相位的差值。表征批次滤波器之间的差别（一致性）。
幅度一致性：同一指标同一批次不同滤波器之间的传输信号损耗的差值。表征批次滤波器之间的差别（一致性）。
相位线性度：滤波器通带频率范围内相位与一条与中心频率时延相等的传输线之间的相位差值。表征滤波器的色散特性。
绝对群时延：滤波器通带范围内信号从输入端口传输至输出端口所用的时间。
群时延波动：滤波器通带范围内绝对群时延最大值与最小值之差。表征滤波器的色散特性。
功率容量：可以输入滤波器的通带信号的最大功率。
相位一致性：同一指标同一批次不同滤波器之间的传输信号相位的差值。表征批次滤波器之间的差别（一致性）。
幅度一致性：同一指标同一批次不同滤波器之间的传输信号损耗的差值。表征批次滤波器之间的差别（一致性）。

 

LC滤波器

 

声表面波/体声波滤波器
声表采用将电能转换为表面声波的方式，利用声波共振效应实现的滤波。该声表面波滤波器的特点是体积非常小，Q值相对LC高，采用半导体工艺适合批量生产。一只800MHz左右的滤波器体积大概只有一个0805电容大小。其缺点是功率容量小，不适合小批量定制产品，研发周期长，研发成本高。
声表滤波器通常应用在终端消费电子产品中。

螺旋滤波器

 

螺旋滤波器:
螺旋滤波器是一种半集总参数的滤波器，其采用放置在空腔内的螺旋电感的自谐振来实现谐振器，通过相邻谐振器的空间磁场实现耦合。
其优点是：体积较腔体小，Q值、功率容量较LC高。其缺点是：较难实现宽带，高频部分电感不易实现。
螺旋滤波器通常用在500MHz以下20%相对带宽，100W平均功率，对插损有一定要求的场合。

介质滤波器

 

纹波：滤波器通带内S21曲线起伏的波峰与波谷之间的差值。

介质滤波器

介质滤波器是采用介质填充的四分之一波长短路线或者二分之一开路线实现的半集总滤波器。其优点是Q值较LC高，可以实现较LC滤波器频率高的滤波器。其缺点是寄生较近，谐振器需要定制。

 

梳状腔体滤波器

 

交指滤波器最大的特点是可以实现宽带，如果采用冗余谐振杆，考虑到机加可是线性，其相对带宽通常可以宽达60%。同时在K波段时，宽带的梳状滤波器机加基本无法加工并且调试螺钉无法放置，因此在该条件下通常采用交指结构。交指结构与梳状相比其寄生通带较近，通常其寄生通带在1.8F0左右。同体积下，交指滤波器较梳状滤波器功率容量大。

滤波器是无线通讯系统必不可少的关键性部件。

滤波器种类繁多，各种滤波器具有不同的性能特点，因此在滤波器选择时，通常需要综合考虑客户的实际使用环境以及客户性能需求才能做出正确、有效、可靠的选择。

在客户对滤波器指标概念比较模糊时，通常需要询问客户体积、损耗、带外需要抑制的频率以及抑制度、功率容量等。根据这几个简单的指标要求基本可以判断出滤波器种类。