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滤波器定义
今的多通道宽带多倍频程调谐RF接收器，通常需要消除不必要的阻塞信号，从而保持相关信号的保真度。滤波器在减少这些不必要的信号上起到了重要作用，特别是在这些系统的接收器RF前端和本振(LO)部分。天华中威科技小编将带领大家探讨RF信号链中滤波器的概念

为了解决RF通信系统中干扰信号的问题，工程师们依靠滤波器来减少这些信号并保留目标信号。简单地说，滤波器是一种允许在通带内传输频率和在阻带内抑制频率的组件。

通常，滤波器的插入损耗(dB)可描述为低通、高通、带通或带阻（陷波）。这个术语指的是所绘制的容许通带频率响应与增加的频率之间的关系。滤波器可以根据其频率响应波形进一步分类，例如通带纹波、阻带纹波，以及它们相对于频率的滚降速度。为了便于说明，图7显示了四种主要的滤波器类型。

图7.按类型划分的滤波器波形。

除了插入损耗外，滤波器的另一个重要特性是群延迟。群延迟是指传输相位相对于频率的变化率。群延迟的单位是时间（秒），因此这个指标可视为特定信号通过滤波器的传输时间。单一频率的传输时间本身通常影响不大，但当宽带调制信号通过滤波器时，群延迟的平坦性就变得很重要，因为它可以在接收信号中引入不同的时间延迟，使信号失真。等式5给出了群延迟的方程，其中θ是相位，ƒ是频率：

具有明显插入损耗和群延迟特性的典型滤波器类型有Butterworth、Chebyshev、椭圆和Bessel。每个类型通常由一个阶数来定义，它描述了滤波器中有多少个无功元件。阶数越高，频率滚降就越快。

在考虑类似阶数的滤波器时，Butterworth滤波器可提供尽量平坦的通带响应，但会牺牲频率滚降，而Chebyshev滤波器则具有很好的频率滚降，但存在一些通带纹波。椭圆滤波器（有时称为Cauer-Chebyshev）比Chebyshev滤波器有更多的频率滚降，但也因此会在通带和阻带中产生纹波。Bessel滤波器的频率和群延迟响应最为平坦，但其频率滚降性能最差。为了便于说明，图8显示了一个五阶低通滤波器的理想插入损耗和群延迟，其3 dB频率(f3 dB)为2 Ghz，允许的通带纹波为1 dB，阻带纹波为50 dB。

对于在整个频率范围内保持恒定相位很重要的系统，如雷达系统，相关频带的群延迟平坦度对于避免接收到的脉冲出现意外相位偏差来说至关重要。假设接收信号范围可以覆盖1 GHz或更多，则应尽量减少宽频带的群延迟平坦度。根据经验法则，应将群延迟平坦度保持在<1 ns，但这要取决于系统对相位偏差的容限。图9显示了群延迟平坦度分别为2.24 ns和0.8 ns的滤波器示例。观察这些波形可以发现，对于更平坦的群延迟来说，整个频率范围的相位变化更加一致。

最后，用于设计滤波器的无功元件的品质因数（Q因数）是影响性能的一个重要属性。品质因数定义为特定电路元件的无功阻抗与串联损耗电阻之比。它与技术工艺和用于实现的物理区域密切相关。品质系数越高，频率响应越快，插入损耗越小。

图8.五阶低通滤波器的插入损耗和群延迟。

图9.群延迟平坦度影响与线性相位的偏差：(a)显示2.24 ns的群延迟平坦度 (b)显示0.8 ns的平坦度，两者对比可看出，相位变化与频率的关系更一致。

RF通信的传统滤波技术

为射频通信系统设计滤波器时，有多种技术可用于实现经典型滤波器。传统上，射频工程师依靠的是带有表面贴装元件的分立式集总元件实现，或者是包含印在PCB材料上的传输线的分布式元件滤波器。然而，近年来，滤波器基于半导体工艺设计，允许使用精确的温度稳定无功元件，品质系数得到了改善。此外，半导体工艺支持使用开关和可调谐无功元件，这在分立式集总元件实现中可能更具挑战性。还有体声波(BAW)、表面声波(SAW)、低温共烧陶瓷(LTCC)、腔体滤波器或陶瓷谐振器等其它技术。

每种方法和技术都存在权衡取舍：

集总LC滤波器由PCB上的表面贴装电感器和电容器来实现。这样做的好处是便于组装，然后通过调整数值来改变滤波器的性能。

分布式滤波器设计为在电介质上实现的传输线的谐振片（可以集成到PCB中，也可以独立在一个单独的电介质上），并定向为在某些频率范围内充当准电感器或准电容器。它们表现出周期性特征。在某些情况下，会添加集总元件来改进/小型化分布式滤波器。

陶瓷谐振器滤波器使用多个陶瓷谐振器（这是一个分布式元件），通过集总元件进行耦合。耦合元件通常是一个电容，但有时也会使用电感。这种类型的滤波器是分布式和集总元件的混合体。

腔体滤波器由封装在导电盒内的分布式元件（棒）来实现。它们以能够处理高功率而几乎没有损耗而闻名，但要以尺寸和成本为代价。

BAW和SAW技术可以提供出色的性能，但它们往往在频率选择方面有要求，不适合宽带应用。

LTCC滤波器通过将多层分布式传输线组合在一个陶瓷封装中来实现，该陶瓷封装类似于分布式滤波器，可用于多种应用，但它是固定的。由于它们是3D堆叠式的，所以最终在PCB上占用的空间很小。

随着最近半导体性能的提升，集成到半导体中的滤波器支持的频率范围也更加宽泛。如果能够将数字控制元件轻松集成到这些元件中，有助于软件定义收发器的采用。总的来说，性能和集成度之间的权衡取舍为宽带系统的设计人员提供了有用的价值。

表1.滤波器类型比较
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