濾波器基礎(chǔ)知識，工程師必備！

2017-03-29  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

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)用實例是接收機或發(fā)射機前端,如圖1、圖2所示:

從圖1中可以看到,濾波器廣泛應(yīng)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。

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(dǎo)濾波器、平面結(jié)構(gòu)濾波器。

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。

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(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(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。

  
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(yīng)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。

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。

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

  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(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。

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(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。

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(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。

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。

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)。

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。

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)。

LC濾波器

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(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(yīng)用在終端消費電子產(chǎn)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(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。

  
介質(zhì)濾波器

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。

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。

梳狀腔體濾波器

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?？梢詫掃_(dá)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。

濾波器是無線通訊系統(tǒng)必不可少的關(guān)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(huán)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(biāo)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(jù)這幾個簡單的指標(biāo)要求基本可以判斷出濾波器種類。

來源:電子工程專輯; RFsister編輯整理

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