1、滤波器基础知识简介滤波器基础知识简介无源专业部 刘远庆内容提要 概要概要 滤波器的类型滤波器的类型 界定滤波器性能的电特性指界定滤波器性能的电特性指标标 各种滤波的性能特点各种滤波的性能特点 总结总结概要 滤波器是射频系统中必不可少的关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让需要的频率信号通过而反射不需要的干扰频率信号。干扰频率信号。经典的滤波器应用实例是接收机或经典的滤波器应用实例是接收机或发射机前端，如图发射机前端，如图1、图、图2所示：所示：概要图1 超外差接收机前段概要从图从图1中可以看到，滤波
2、器广泛应用在中可以看到，滤波器广泛应用在接收机中的射频、中频以及基带部分。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。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、高按频率选择的特性可以分为：低通、高通、带通、带阻滤波器等；通、带通
3、、带阻滤波器等；按实现方式可以分为：按实现方式可以分为：LCLC滤波器、声滤波器、声表面波表面波/体声波滤波器、螺旋滤波器体声波滤波器、螺旋滤波器、介质滤波器、介质滤波器、腔体滤波器、腔体滤波器、高温超、高温超导滤波器、平面结构导滤波器、平面结构滤波器。滤波器。滤波器的类型按不同的频率响应函数可以分为：切比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、雪夫、广义切比雪夫、巴特沃斯、高斯、贝塞尔函数、椭圆函数等。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的滤波器特性需求来描述滤波器的不同特
4、征。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，需要综合就是说对于用户需求来做设计时，需要综合考虑用户需求。考虑用户需求。滤波器选择时，首先需要确定的就是应该使滤波器选择时，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。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
5、阻的频率响应特性高通、低通、带通以及带阻的频率响应特性及其作用。及其作用。滤波器的类型巴特沃斯与切比雪夫低通滤波器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、前
6、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。频率源杂散抑制等方面广泛使用。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能指标用于描述系统对该部件的性能需求。求。对应不同的应用场合，对滤波器某些电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。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：描述滤波器电性能技术指标有：阶数（级数）阶数（级数）绝对带宽绝对带宽/相对带宽相对带宽 截止频率截
7、止频率 驻波驻波 带外抑制带外抑制 纹波纹波界定滤波器性能的电特性指标 损耗损耗 通带平坦度通带平坦度 相位线性度相位线性度 绝对群时延绝对群时延 群时延波动群时延波动 功率容量功率容量 相位一致性相位一致性界定滤波器性能的电特性指标 幅度一致性幅度一致性 工作温度范围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。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（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。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对于带通滤波器来讲，阶
8、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。振器与并联谐振器的总数。绝对带宽绝对带宽/相对带宽：该指标通常用于带通相对带宽：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。对带宽与中心频率的百分比。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
9、截止频率：截止频率通常用于高通跟低通截止频率：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，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截止频率表征滤波器最低能通过的频率范围。围。驻波：即矢网测得的驻波：即矢网测得的S11，表示滤波器端，表示滤波器端口阻抗与系统所需阻抗的匹配程度。表示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输入信号有多少未能进入滤波器而被反射回输入端。回输入端。界定滤波器性能的电特性指标九阶低通滤波器仿真曲线九阶低通滤波器仿真
10、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。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滤波器对不同频率信号的能量消耗的区别。别。带外抑制：滤波器通带频率范围以外的带外抑制：滤波器通带频率范围以外的“衰减量衰减量”。表征滤波器对不需要的频。表征滤波器对不需要的频率信号的选择能力。率信号的选择能力。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
11、失损耗：损耗表示信号通过滤波器后损失带通滤波器仿真带通滤波器仿真S参数曲线参数曲线界定滤波器性能的电特性指标纹波：滤波器通带内纹波：滤波器通带内S21曲线起伏的波峰与曲线起伏的波峰与波谷之间的差值。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。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。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
12、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最大值与最小值之差。表征滤波器的色散特性。性。界定滤波器性能的电特性指标带通滤波器仿真带通滤波器仿真S参数曲线参数曲线界定滤波器性能的电特性指标带通滤波器仿真带通滤波器仿真S参数曲线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带通滤波器仿真群时延曲线界定滤波器性能的电特性指标功率容量：可以输入滤波器的通带信号的最功率容量：可以输入滤波器的通带信号的最大功率。大功率。相位一致性：同一指标同一批次不同滤波器相位一致性：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。表征批次滤波之间的传输信号相位的差值。表
13、征批次滤波器之间的差别（一致性）。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）。器之间的差别（一致性）。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。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
14、不同的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。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。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。下面讲述不同结构类型的滤波器的优缺点。各种滤波器的性能特点LC滤波器滤波器 LC滤波器是采用恰当的电容、电感来构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，成的滤波器，实际设计中，LC滤波器通常可滤波器通常可实现低通、带通、高通、带阻滤波器。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、寄生滤
15、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，性能较差，功率容量小。另外，LC滤波器中滤波器中电感采用绕制线圈的方式，因此较难实现高电感采用绕制线圈的方式，因此较难实现高频滤波的电感。因此频滤波的电感。因此LC滤波器通常只用来设滤波器通常只用来设计制作计制作4GHz以下频率的滤波器。以下频率的滤波器。各种滤波器的性能特点LC滤波器滤波器各种滤波器的性能特点声表面波声表面波/体声波滤波器体声波滤波器声表采用将电能转换为表面声波的方式，利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
16、面波滤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，波器的特点是体积非常小，Q Q值相对值相对LCLC高，采高，采用半导体工艺适合批量生产。一只用半导体工艺适合批量生产。一只800MHz800MHz左左右的滤波器体积大概只有一个右的滤波器体积大概只有一个08050805电容大小。电容大小。其缺点是功率容量小，不适合小批量定制产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。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。声表滤波器通常应用在终端消费电子产品中。各种滤波器的性能特点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，其螺旋
17、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现谐振器，通过相邻谐振器的空间磁场实现耦合。耦合。其优点是：体积较腔体小，其优点是：体积较腔体小，Q值、功率容量较值、功率容量较LC高。其缺点是：较难实现宽带，高频部分高。其缺点是：较难实现宽带，高频部分电感不易实现。电感不易实现。螺旋滤波器通常用在螺旋滤波器通常用在500MHz以下以下20%相对带相对带宽，宽，100W平均功率，对插损有一定要求的场平均功率，对插损有一定要求的场合。合。各种滤波器的性能特点螺旋滤波器螺旋滤波器各种滤波器的性能特点介
18、质滤波器介质滤波器介质滤波器是采用介质填充的四分之一波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。其优点是总滤波器。其优点是Q Q值较值较LCLC高，可以实现高，可以实现较较LCLC滤波器频率高的滤波器。其缺点是寄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。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介质滤波器各种滤波器的性能特点腔体滤波器腔体滤波器腔体滤波器是滤波器家族中最为重要的类型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之一，在射频系统中的前端有非常广泛的应
19、用。其中发射后端（功放后）、接收前端用。其中发射后端（功放后）、接收前端（LNALNA前前/后）均为不可为其他类型滤波器替后）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导腔、介质腔等。其中梳状结构可实现200MHz15GHz200MHz15GHz，带宽，带宽30%30%内的各种指标要求的内的各种指标要求的滤波器；交指可实现滤波器；交指可实现800MHz26GHz800MHz26GHz，带宽，带宽40%40%以内的各种指标要求的滤波器。以内的各种指标要求的滤波器。各种滤波器的性能特点波导腔常用来实现波导
20、腔常用来实现8GHz60GHz,8GHz60GHz,相对带宽相对带宽15%15%以内的滤波器。介质腔体滤波器通常用来实以内的滤波器。介质腔体滤波器通常用来实现现2GHz18GHz,2GHz18GHz,相对带宽相对带宽0.1%1.5%0.1%1.5%以内的各以内的各种技术指标的滤波器。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。情况下可以做到腔体滤波器中的最
21、小体积。但是梳状腔由于腔体内存在加载电容，因此但是梳状腔由于腔体内存在加载电容，因此功率容量较低。功率容量较低。各种滤波器的性能特点梳状腔体滤波器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，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其相对带宽通常可以宽达60%60%。同时在。同时在K K波段波段时，宽带的梳状滤波器机加基本无法加工并时，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
22、比其寄生采用交指结构。交指结构与梳状相比其寄生通带较近，通常其寄生通带在通带较近，通常其寄生通带在1.8F01.8F0左右。同左右。同体积下，交指滤波器较梳状滤波器功率容量体积下，交指滤波器较梳状滤波器功率容量大。大。各种滤波器的性能特点交指双工器交指双工器各种滤波器的性能特点波导腔滤波器具有高波导腔滤波器具有高Q Q、高功率容量等特点，、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。但是对损耗要求较指或梳状滤波器来实现。但是对损耗要求较高的窄带滤波
23、器，并且对体积要求不高的条高的窄带滤波器，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，因此在大功率雷达功率容量高一个数量级，因此在大功率雷达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，当天线馈源处常使用波导腔滤波器。另外，当频率很高，在频率很高，在K K（1826.5GHz)1826
24、.5GHz)、KaKa （26.540GHz)26.540GHz)、Q Q （3360GHz)3360GHz)波段波段,梳状、梳状、交指滤波器基本无法加工，此时采用波导腔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。滤波器基本上唯一选择。介质腔滤波器属于滤波器中介质腔滤波器属于滤波器中Q Q值最高的，其值最高的，其Q Q值约为波导空腔的值约为波导空腔的2525倍，比梳状、交指结构倍，比梳状、交指结构的滤波器的滤波器Q Q值高约一个数量级。但是介质腔滤值高约一个数量级。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
25、常用在相对带得很宽，因此介质腔滤波器通常用在相对带宽低于宽低于1%1%，但是损耗要求较高的场合。，但是损耗要求较高的场合。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、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（相对带宽大于做超宽带（相对带宽大于50%50%）的带通滤波器、）的带
26、通滤波器、或高通滤波器，悬置微带的低通滤波器也有或高通滤波器，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较多应用，主要是悬置微带低通的寄生通带可以做到可以做到3535倍倍FcFc。总结滤波器是无线通讯系统必不可少的关键性部滤波器是无线通讯系统必不可少的关键性部件。件。滤波器种类繁多，各种滤波器具有不同的性滤波器种类繁多，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。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。简单的指标要求基本可以判断出滤波器种类。
