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滤波器设计 贾宝富 滤波器基本概念 滤波器概念简介 滤波器是通信工程中常用的重要器件，它对信号具有频率选择性，在通信系统中通过或阻断、分开或合成某些频率的信号。 滤波器主要类型-1 通常采用工作衰减来描述滤波器的幅值特性: (dB) 式中，和分别为输出端接匹配负载时滤波器输入功率和负载吸收功率。 根据衰减特性不同，滤波器通常分为低通、高通、带通和带阻滤波器。 滤波器主要类型-2 功率转移函数 实用中，最广泛使用的逼近函数有三种，相应的滤波器称为：最平坦型（Butterworth）、等波纹型(Chebyshev)和椭圆函数型。 滤波器主要技术指标 基本的概念说明 插入损耗：定义为传输电平除以入射电压取对数再乘以20，以dB表示。是我们无失真传输的关键之一。 无失真传输的关键图 基本的概念说明 带外抑制：用来表征滤波器抑制带外所有信号的性能。它正比于系统的信噪比以及误码率（BER）。 插入相位：通过一个无源线性器件无失真传输的第二个关键是器件在所用带宽内的相位频响必须是线性的。由滤波器引起的任何非线性相位频响将引起信号失真。插入相位是在指定的频率上，通过器件的相对相位移。它与频率有关，是电长度的函数。 表示器件相频特性非线性的第二种方法是群延迟。而相位斜率技术是一种简单而精确的测量群延迟的方法。它是一种静态或连续波技术。通过测量两个相近间隔频率（孔径）之间的相位差，然后计算这些点之间的斜率（如下图所示）。 插入相位： 传统滤波器的设计方法 传统的滤波器设计，采用网络综合的方法。所谓网络综合，在微波工程实用上指的是预先规定元器件特性而用网络去实现的一个过程。它大致包括三个步骤： 提出目标，即理想响应； 选用可能的函数去逼近理想响应； 设法实现具有逼近函数特性的网络。 由于采用的逼近函数不同，一般有Butterworth综合、Chebyshev综合、椭圆函数综合等滤波器设计方法。 Butterworth滤波器综合 该响应有最大平滑特性，所以Butterworth响应也称为最大平坦响应。 Chebyshev 滤波器综合 其中， 称为Chebyshev 多项式。 可以用优化代替综合吗？ 优化虽然可以在一定程度上简化滤波器的设计，但是使用优化受到很大限制。 一般只有在拓扑结构确定以后才能优化。 优化目标函数的确定有一定困难。 受计算能力的限制，三维仿真软件的优化只能在结构比较简单，变量不多时使用。 目前通常的设计方法是综合+优化。 用网络综合法确定滤波器的拓扑结构。 使用电路计算软件进行优化。 利用Ansoft Designer设计简单结构的滤波器 中心频率10GHz; 带宽400MHz; 带内最大插损1dB; 选用微带边缘耦合结构； 介质基板： MS-RT duroid 5880 Er=2.2; 20mil; 0.5 oz Copper(0.675mil) 打开Ansoft Designer的滤波器设计工具包（Filter Design Wizard） 输入频率范围等参数 输入介质基板参数 完成设计 输出平面电路结构图 仿真计算平面结构图 调整变量或优化 最后结果 * * 低通 高通 带通 带阻 另外，还有一些技术指标，如, 回波损耗（驻波系数），带内波动；群延迟；矩形系数等。对大功率滤波器还有功率容量。对可调滤波器还有可调范围等 Δ 关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问题。首先，器件的幅度响应不许在使用的带宽内为固定值。这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的。其次，器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。如下图所示。 Constant Amplitude Magnitude Bandwidth Linear Phase Bandwidth φ 无失真传输的关键 相位斜率技术 φ1 φ2 f1 f2