金航标技术顾问张武军浅析——关于滤波器（上）

2023-05-12 15:11:13 506

深圳市金航标电子有限公司，国家级高新技术企业，“中国卫星导航协会”、“中国信息产业商会”、“广东连接器协会”会员，获得发明专利和软件著作权多件。“Kinghelm”品牌产品有北斗GPS天线、微型射频转接器组件，电气数据连接器、端子接插件，及汽车线束、工业连接器、军用特种定制天线连接器组件三大系列产品。金航标骨干技术团队来自于清华大学和电子科大，在射频微波技术方面造诣深厚。下面由金航标kinghelm技术顾问张武军浅析关于滤波器，本文分为上下两部分

射频技术应用越来越广泛，频谱资源非常宝贵，其中，短距离的无线/射频设备非常密集。现在大部分系统的基带信号是数字化的信号(所谓“信息”)。因此，当下的无线/射频产品中的器件，除了放大器，滤波器和开关也占很大比重。下面的滤波器讨论，无论基频BB、中频IF还是射频RF都是指模拟的或变为了模拟的信号，不涉及数字滤波器（数字滤波器实际上是数字信号处理DSP，DSP主要是“算法”）。

信号并非单一频率的标准正弦波（否则它不具备任何“信息”），一个信号是由一群不同振幅/频率/相位的分量组成，信号在被调制/解调/变换/变频/放大等过程中，离不开滤波器。

一、按滤波效果分类

低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器，陷波器（带阻滤波器）……总之，所谓滤波/陷波，就是按频率选择信号(分量)；或将不需要的信号或干扰抑制掉；或将本机产生的交调高次谐波主动抑制，防止干扰其他部件/设备/系统；或将高频与电源隔离；或多个信号共存时，分离流向……

二、按结构或材质分类

有：LC滤波器、介质滤波器、表声波滤波器/体声波滤波器、腔体滤波器….

三、一个典型的射频电路

1.1 滤波器定义

电子电路的作用总的来说就是对信号进行处理。无论是普通的低频电路还是射频微波电路，都大量使用滤波器。

低通滤波器（LPF：Low-pass filter）容许低频信号通过，但抑制高于门限频率的信号通过。

低通滤波器高通滤波器

高通滤波器（HPF：high-pass filter）则相反，让某一门限频率以上的信号通过，而对该门限频率以下的信号大大抑制。

带通滤波器（BPF：band-pass filter）则是高通滤波器和低通滤波器的组合。

带阻滤波器/陷波器（band-stop/notch filter）是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带通滤波器的概念相对。

带通滤波器带阻滤波器

双工器（Duplexer) 它是一种天线共用部件。站天线角度看，双工器能把收发信号组合在一起，以便能使用单个天线，同一根天线上既有接收Rx信号，也有发射Tx信号；站射频设备角度看，双工器对接收RX信号和发射TX信号进行隔离分路。以下是双工器滤波示意图，低通带是上行信号，稍高的通带是下行信号。

双工器

1.2 滤波器的符号

1.3 滤波器的主要参数

中心频率（f₀-Center Frequency）：带通滤波器或带阻滤波器是在特定的频率区间，信号可以通过或不可以通过，因而这个区间有一个中心频率f₀，一般取f₀= (f1+f2)/2，f1、f2为带通或带阻滤波器的相对边界，即左/右边界点处，信号相对下降1dB或3dB。

通带带宽（BW -Bandwidth）：指带通/带阻滤波器的通/阻频率区间的频谱宽度，BW= (f2-f1)。f1、f2意义同上。

截止频率（fc -Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边界频点，或高通滤波器的通带左边界频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来定义边界。

插入损耗（IL -insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗（通带范围内也存在信号分量损耗）。IL=10Log(Pin/P_L)，其中P_L是负载功率。插入损耗(即S21)应尽可能低。

带内波动（Passband Ripple）：通带内插入损耗随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰值。该参数与滤波器通带中的频率响应有关，通常以dB表示。滤波器中的纹波大小会影响其回波损耗：纹波越大，回波损耗越大。

带内驻波比（SWR 或VSWR）：衡量滤波器通带内阻抗是否良好匹配信号是否良好传输的一项重要指标。如下图，由于存在回波反射，叠加后，驻波的幅度有起伏，也就是其幅度最大值和最小值之间的比率。

SWR =10Log [(Pin+Pr)/(Pin-Pr)]

回波损耗和驻波比有直接关联(此处不展开)。理想匹配SWR=1，正常状态下SWR>1。

回波损耗（RL-Return Loss）：回波损耗是衡量滤波器输入和输出阻抗与理想阻抗匹配程度的指标，是输入端口输入功率与负载端反射功率之比的分贝(dB)数，RL= -20Log10ρ，ρ为电压反射系数；或RL= -10Log（Pr/Pin），其中Pr是反射回输入信号源的功率。回波损耗值(即S11)越高，表示阻抗匹配越好，输入功率被负载端口全部吸收时回波损耗为无穷大。

阻带抑制/衰减（Rejection/attenuation）：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标，也即滤波器对通带外信号的衰减程度(单位为dB)。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。

功率容量（Power Handling）：这是射频输入功率极限，超过该功率，滤波器的性能可能会下降或失效，单位为瓦特(W)。它通常是指连续波(CW)功率值，即取10个连续波的的平均功率。

隔离度（Isolation）。天线共用器或双工器在不影响接收(Rx)频率的情况下抑制发射(Tx)频率的能力，以及在不影响发射(Tx)频率的条件下抑制接收(Rx)频率的能力。这个被称为Rx/Tx隔离度，隔离度越大，滤波器将Rx与Tx隔离得越有效，反之亦然。较高的隔离度使得发射和接收信号更干净。

Q值（Q Factor）：中心频率与带通滤波器带宽的比值，即Q=f₀/BW

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