滤波器基础知识简介

概要
图1 超外差接收机前段
概要
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。
滤波器的类型
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。
各种滤波器的性能特点
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。
各种滤波器的性能特点
平面结构的滤波器中通常由微带、带状线、 悬置带线来实现。微带、带状线滤波器常规 应用较少，悬置带线应用相对较多，其原因 是悬置带线寄生特性较好，并且在结构上易 于实现分布电容，因此悬置带线滤波器适合 做超宽带（相对带宽大于50%）的带通滤波器、 或高通滤波器，悬置微带的低通滤波器也有 较多应用，主要是悬置微带低通的寄生通带 可以做到3~5倍Fc。
各种滤波器的性能特点
LC滤波器
各种滤波器的性能特点
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。
界定滤波器性能的电特性指标
带通滤波器仿真S参数曲线
界定滤波器性能的电特性指标
带通滤波器仿真S参数曲线
界定滤波器性能的电特性指标
带通滤波器仿真群时延曲线
界定滤波器性能的电特性Βιβλιοθήκη Baidu标
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）。
界定滤波器性能的电特性指标
• • • • • • • 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
界定滤波器性能的电特性指标
• 幅度一致性 • 工作温度范围
界定滤波器性能的电特性指标
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。
各种滤波器的性能特点
梳状腔体滤波器
各种滤波器的性能特点
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。
界定滤波器性能的电特性指标
五阶低通滤波器
五阶高通滤波器
界定滤波器性能的电特性指标
二阶带通滤波器
五阶带阻滤波器
界定滤波器性能的电特性指标
六阶带通滤波器仿真曲线
界定滤波器性能的电特性指标
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。
各种滤波器的性能特点
螺旋滤波器
各种滤波器的性能特点
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。
各种滤波器的性能特点
介质滤波器
各种滤波器的性能特点
各种滤波器的性能特点
天线馈源处常使用波导腔滤波器。另外，当 频率很高，在K（18~26.5GHz)、Ka （26.5~40GHz) 、Q （33~60GHz)波段,梳状、 交指滤波器基本无法加工，此时采用波导腔 滤波器基本上唯一选择。 介质腔滤波器属于滤波器中Q值最高的，其Q 值约为波导空腔的2~5倍，比梳状、交指结构 的滤波器Q值高约一个数量级。但是介质腔滤 波器体积较大，带外寄生很近，带宽不能做 得很宽，因此介质腔滤波器通常用在相对带 宽低于1%，但是损耗要求较高的场合。
界定滤波器性能的电特性指标
九阶低通滤波器仿真曲线
界定滤波器性能的电特性指标
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。
总结
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。
界定滤波器性能的电特性指标
损耗：损耗表示信号通过滤波器后损失 带通滤波器仿真S参数曲线
界定滤波器性能的电特性指标
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。
滤波器的类型
巴特沃斯与切比雪夫低通滤波器
滤波器的类型
巴特沃斯与切比雪夫带通滤波器
滤波器的类型
巴特沃斯与切比雪夫高通滤波器
滤波器的类型
巴特沃斯与切比雪夫带阻滤波器
滤波器的类型
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。
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各种滤波器的性能特点
波导腔常用来实现8GHz~60GHz,相对带宽15% 以内的滤波器。介质腔体滤波器通常用来实 现2GHz~18GHz,相对带宽0.1%~1.5%以内的各 种技术指标的滤波器。 梳状腔体滤波器与其他几种腔体滤波器相比 最大的优点是可实现相对带宽较宽的远寄生 通带特性，同时在相同带宽以及带外抑制的 情况下可以做到腔体滤波器中的最小体积。 但是梳状腔由于腔体内存在加载电容，因此 功率容量较低。
滤波器的类型
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。
滤波器的类型
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。
各种滤波器的性能特点
LC滤波器 LC滤波器是采用恰当的电容、电感来构 成的滤波器，实际设计中，LC滤波器通常可 实现低通、带通、高通、带阻滤波器。 LC滤波器的优点是：体积小、成本低、寄生 通带远，但其缺点是相对损耗大，带外选择 性能较差，功率容量小。另外，LC滤波器中 电感采用绕制线圈的方式，因此较难实现高 频滤波的电感。因此LC滤波器通常只用来设 计制作4GHz以下频率的滤波器。
各种滤波器的性能特点
交指双工器
各种滤波器的性能特点
波导腔滤波器具有高Q、高功率容量等特点， 但是波导腔的滤波器一般体积较大，在对损 耗要求不是太高的情况下，一般都是使用交 指或梳状滤波器来实现。但是对损耗要求较 高的窄带滤波器，并且对体积要求不高的条 件下，波导腔还是较好的选择之一。一般同 等技术指标下，波导腔滤波器的损耗约为交 指或者梳状滤波器的一半。此外，波导腔滤 波器的功率容量大约比交指、梳状滤波器的 功率容量高一个数量级，因此在大功率雷达
界定滤波器性能的电特性指标
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。
界定滤波器性能的电特性指标
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
界定滤波器性能的电特性指标
• 工作温度范围：滤波器能按用户需求指标 能正常工作的温度范围。表征滤波器的对 温度环境的适应性。
界定滤波器性能的电特性指标
带通滤波器相位线性度仿真曲线
各种滤波器的性能特点
各种不同结构类型的滤波器，有自身不同的 性能特点，这些特点对应着不同的应用场合。 合理的选择滤波器的结构，有助于改善不同 需求的系统性能。 下面讲述不同结构类型的滤波器的优缺点。
腔体滤波器 腔体滤波器是滤波器家族中最为重要的类型 之一，在射频系统中的前端有非常广泛的应 用。其中发射后端（功放后）、接收前端 （LNA前/后）均为不可为其他类型滤波器替 代。腔体滤波器可以分为：梳状、交指、波 导腔、介质腔等。其中梳状结构可实现 200MHz~15GHz，带宽30%内的各种指标要求的 滤波器；交指可实现800MHz~26GHz，带宽40% 以内的各种指标要求的滤波器。
滤波器基础知识简介
无源专业部 刘远庆
内容提要
• 概要 • 滤波器的类型 • 界定滤波器性能的电特性指 标 • 各种滤波的性能特点 • 总结
概要
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：