滤波器设计.doc

滤波器设计
第一节滤波器基本认识
滤波器概念
滤波器(filter)是一种用来消除干扰杂讯的器件,可按要求使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其他频率成分,对要抑制的频率进行有效滤除。利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波,而得到一个特定频率的正弦波。
图1 滤波器原理
其中,为滤波器特性,通过改变就可以得到不同的输出。
滤波器分类
根据频率特性(即)可分为:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。
(1)低通滤波器
通带0 ~ Wc,Wc为上截止频率。它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。
(2)高通滤波器
通带Wc ~ ∞,Wc为下截止频率。它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。
(3)带通滤波器
通带Wc1 ~ Wc2, Wc1、Wc2分别为下和上截止频率。它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
中心频率
(4)带阻滤波器
它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。
介质滤波器
介质滤波器利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点设计制作的,由数个长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。其特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄,特别适合CT1,CT2,900MHz,,,,便携电话、汽车电话、无线耳机、无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。
滤波器选取
集总低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础,各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。正因如此,才使得滤波器的设计得以简化,精度得以提高。
理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过,而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减,从而在幅频特性曲线上呈现矩形,故而也称为矩形滤波器(brick-wallfilter)。遗憾的是,如此理想的特性是无法实现的,所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。根据所选的逼近函数的不同,可以得到不同的响应。虽然逼近函数函数多种多样,但是考虑到实际电路的使用需求,我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。
“巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性,而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性。所以具体选用何种特性,需要根据电路或系统的具体要求而定。但是,“切比雪夫响应”滤波器对于元件的变化最不敏感,而且兼具良好的选择性与很好的驻波特性(位于通带的中部),所以在一般的应用中,推荐使用“切比雪夫响应”滤波器。
滤波器设计
滤波器特性可以用其频率响应来描述,按其特性的不同,可以分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器等。
用来说明滤波器性能的技术指标主要有:
中心频率f0,即工作频带的中心
带宽BW
通带衰减,即通带内的最大衰减
阻带衰减
对于实际滤波器而言,考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值(因为受限于材料与工艺的水平),所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器,因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。
现代滤波器设计,多是采用滤波器变换的方法加以实现。主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换,来得到新的目标滤波器。
滤波器类型
巴特沃斯响应(最平坦响应)
巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦,接近DC信号,然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB,最终逼近-20ndB/decade的衰减率,其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用,其对于维护增益的平坦性来说非常重要。
贝塞尔响应
除了会改变依赖于频率的输入信号的幅度外,滤波器还会为其引入了一个延迟。延迟使得基于频率的相移产生非正弦信号失真。就像巴特沃斯响应利用通带最大化了幅度的平坦度一样,贝塞尔响应最小化了通带的相位非线性。
切贝雪夫响应
在一些应用当中,最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波,就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。附录A包含了设计多达8阶的具巴特沃斯、贝塞尔和切贝雪夫响应滤波器所需参数的表格。其中两个表格用于切贝雪夫响应∶;另一个用于1dB最大通带纹波。
滤波器的阶数
,一般每增加一阶(一个极点),就会增加一20dBDec(一20dB每十倍频程)。
第二节滤波器设计
设计
目前,技术实现微波无源器件的集成与设计,在国内还属于探索阶段,没有一种明确的设计思路和方法,