滤波器简介

  滤波器早被公认为各种电子产品的重要部件，其主要功能是作为各种电信号的提取、分隔、抑止干扰，随着电子技术的飞速发展，电子产品的应用领域发生日新月异的变化：从家用的收音机、电视机到航天用的测控设备；从矿井用的通信机到巡航导弹；从超市用的报警器到日常生活的手机，由于电子产品门类及使用频段的不断扩展，各种电子设备之间的干扰也日趋严重，因而滤波器不但是确保电子产品本身正常可靠工作的重要部件，而且是减少相互影响、确保正常工作环境的重要器件，因而，可以毫不夸张地说，在具有特定功能的电子产品中均有滤波器的踪迹可寻。

滤波器分为有源和无源二大类，由于无源滤波器不需电源、不易产生干扰、稳定、可靠、适应范围广等特点，因而被广泛应用。

无源滤波器品种很多，按构成元件不同最常见的有：RC滤波器、LC滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、声表面波滤波器，还有螺旋滤波器、介质滤波器、微波滤波器等。

滤波器按其主要特性可分为：带通、带阻、高通、低通、可变通带等滤波器。

滤波器按其功能可以分为：中频滤波器、边带滤波器、话路滤波器、线性相移滤波器、相位恒定滤波器、相位配对滤波器、电源滤波器等。

滤波器的应用领域十分广泛，包括在无线通信、载波通信、卫星通信、广播、邮电、导航、数传、数控、遥控、遥测、电子仪器等电子设备中，具体常被用于各种放大器、调制器、锁相环以及级间隔离等。

晶体滤波器

　　crystal filte

　　用晶体谐振器组成的滤波器 。与 LC 谐振回路构成的滤波器相比，晶体滤波器在频率选择性、频率稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多，已广泛用于通信、导航、测量等电子设备。1921 年 W. G.凯地将晶体谐振器用于各种调谐电路 ，形成了晶体滤波器的雏形 。1927年L.艾斯本希德把晶体谐振器用于真正的滤波电路 。1931年 W.P.梅森又把它用于格型滤波器。60年代中期，集成式晶体滤波器研制成功，晶体滤波器在小型化方面有了很大发展。

石英晶体滤波器是采用石英晶体谐振器为基本元件的电气滤波器，由于它有很高的品质因数（数万以上），因此在军、民用电子设备中应用极其广泛，特别是在中频范畴内具有不可替代的地位。

 石英晶体滤波器可分为低通、高通、带通和带阻晶体滤波器。其中又以带通及带阻晶体滤波器最为常用。各种晶体滤波器都可由梯型或差接桥型电路组成，而差接桥型电路具有插入损耗小、带内波动小、群时延低、制造时所需元件较少、对元件参数要求较低、设计灵活，因此在大多数工程设计中，通常采用这种电路。

石英晶体滤波器具有以下特点：

阻带衰减高：石英晶体滤波器具有陡峭的阻带衰减特性，一般阻带衰减都在60dB以上，有的甚至达到90dB以上。

矩形系数好：石英晶体滤波器的矩形系数一般在2到5左右，频率较低的可达到1.8左右，具有良好频率择性。

频率温度稳定性好：由于石英晶体在宽温度范围内具有的特性，使得晶体滤波器的幅频特性在宽温度范围内具有非常高的稳定性。

体积小：石英晶体滤波器所需的元件较少，而且许多元件都可实现表贴化，因此，这种晶体滤波器的体积相对较小。

插损小：一般均小于5dB。

      石英晶体谐振器是最常用的晶体谐振器之一，它在滤波器中主要用作窄带通滤波器。钽酸锂或铌酸锂晶体谐振器的耦合系数和频率常数较大，适用于制做高频宽带通滤波器。其他压电材料因温度稳定性较差，很少采用。

　　当作用于晶体谐振器的电信号频率等于晶体的固有频率时，电能通过晶体的逆压电效应在晶体中引起机械谐振产生机械能;在输出端,正压电效应又将这种机械能转换为电信号。晶体谐振器及其等效电路和阻抗特性如上图1。其中，L1、C1和R1分别代表晶体谐振器的动态电感、动态电容和动态电阻；C0为晶体支架和电极间的静态电容。R1通常很小，可忽略不计。这样，图1a的等效电路可视为纯电抗二端网络。谐振器的串联、并联谐振频率f1、f2以及比值f2/f1分别为：
　
　　比值 f2/f1随比值C1/C0而异。这个特性可以用来调节晶体滤波器的通频带。例如，谐振器外接一个串联电容器,等效于C1减小、f1升高；而外接一个并联电容器,则等效于C0增大、f2降低。两者均可缩小f1与f2之间的间隔,即缩窄通频带。如果串接或并接电感器,则将增大频率间隔，展宽通频带。

　　因晶片不能做得很薄，石英晶体谐振器的基波频率只能达到30～35兆赫。工作频率较高的谐振器大多工作于泛音（高于基频近奇次倍的振动），但泛音次数越高，串、并联谐振频率的间隔越小。

　　70年代发展起来的离子刻蚀技术能使晶体谐振器的基波频率接近 500兆赫。但由于外接元件，特别是线圈问题，其泛音频率也只能做到 600兆赫，相对带宽约为0.01％～1％。

　　分立式晶体滤波器 　由分立式晶体谐振器和分立式电子元件构成的滤波器，图2a的差接桥型晶体滤波器是其一种。在滤波性能上它和格型滤波器等效，但所用的晶体谐振器数目可减少一半。其阻抗特性及衰减特性如上图2b 和c。在f1至f3之间,z1和z2的符号相反,又由于变压器次级两端电压的极性相反,两臂中的电流同号相加,所以f1至f3间为滤波器的通频带。同理,当f＜f1和f＞f3时,z1和z2同号,两臂电流异号相减;所以f1～f3两侧以外的区域为阻带。z1＝z2时,输出为零,f、f为无穷大衰减频率。分立式晶体滤波器可实现的中心频率为10千赫到350兆赫,相对带宽为0.01％～10％。至于梯型石英晶体滤波器：

由于使用石英晶体数量较多，群延时指标低于差接桥型，而且在规定带内波动指标的前提下，通带宽度受到限制等多方面的原因，在专业无线电设备中较难看到，相反因其电路简单，在业余爱好者的DIY制作中比较常见（业余爱好者的套件一般只提带内波动、插入损耗、阻带衰减、矩形系数，绝不谈群延时指标）。

　　集成式晶体滤波器

        　采用集成电路工艺制作的晶体滤波器，有单片的、串联单片的和多片的三种类型。

          单片晶体滤波器（MCF）由镀在AT切石英片上若干对电极形成的耦合谐振器组成。是在石英基片表面配置若干对金属电极形成的耦合谐振器组成,它能够构成的带通和带阻滤波器。 它利用压电效应的能陷理论来选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间矩，以控制超声波的声学耦合，从而达到滤波的目的。其特点是频率选择度十分陡峭、损耗低、稳定性好、阻带衰减高，现已在移动通信设备中大量使用，是必不可少的初级中频滤波器，对提高整机灵敏度和抗干扰能力具有重要作用。国外MCF产品实用化水平为：中心频率为几MHz～150MHz，带宽0.001～0.1%，频道间隔12.5～25kHz，最小封装尺寸为8×8×3.2mm，重量为0.4g。

MCF目前的发展方向集中在开发新型压电材料、扩展带宽、减少带内延时波动、增大带外衰减、扩充和提高中频点和线性度并使封装尺寸进一步小型化和片式化。 下图为其中最简单的四电极单片晶体滤波器电路结构及其等效电路。输入谐振器随所加信号电压而产生厚度切变振动，晶片因受电极质量负荷的影响，电极区的谐振频率比非电极区的低，使弹性波在两区边界发生反射,从而使绝大部分能量陷落在电极区内,少量泄漏的能量则耦合到与之相邻的谐振器。这样依次相传到输出谐振器，再变为电信号。适当地设计电极尺寸、谐振器间距和频率镀回率，就可以控制弹性波在晶片中的传播，从而实现滤波功能。 

            串联单片晶体滤波器 　由若干用电容耦合的单片晶体滤波器组成下图4。其优点是利于调整工作频率和抑制寄生频率。

　　     多片晶体滤波器 　由串联的耦合谐振器、并联的单谐振器和电容器组成下图5。其特点是能在靠近通频带的频率上形成若干衰减峰，有利于抑制干扰和改善滤波性能。

 　　集成式晶体滤波器体积小、可靠性高而且造价低。但其中心频率只有4.5～350兆赫，相对带宽为0.01％～0.3％,所以在要求中心频率低、通频带宽的场合尚不能取代分立式晶体滤波器。

滤波器技术指标常用名词术语

1、中心频率  mid-band frequency

带通或带阻滤波器两个截止频率的几何平均值。通常情况可用算术平均值计算。

2、中心频率偏差  mid-band frequency  tolerances

滤波器实际中心频率与标称频率间的差值。

3、截止频率cut-off frequency

相对衰耗达到某规定值的通带边缘频率。

4、标称频率  reference frequency

规定用来表征滤波器工作频率的频率值。对于带通、带阻滤波器，标称频率规定为标称中心频率；对于边带滤波器，标称频率规定为标称载波频率。

5、频率温度系数  frequency-temperature coefficient

指在给定温度范围例内，单位温度变化引起的滤波器频率的相对变化量

6、通带宽度  pass bandwidth

   指相对衰耗小于和等于某一规定值时的频率宽度（如1dB、2dB、3dB、6dB等）。

7、通带宽度偏差  pass bandwidth tolerances

   滤波器实际通带宽度与规定通带宽度的差值。

8、阻带  stop band

相对衰耗等于或大于某一规定值时的频率范围。

9、相对衰耗  relative attenuation

指以滤波器插入衰耗频率点输出电平为零电平时所衡量的衰耗值。

10、插入衰耗  insertion attenuation

滤波器插入前，信号源直接传送给负载阻抗的功率和插入以后传送给负载阻抗的功率比的对数。

通常情况下，滤波器的插入损耗均指定用滤波器在端接规定阻抗时，用通带中最大输出电平频率点插入衰耗来衡量。

11、传输衰耗  transmission loss

在规定的工作条件下，信号源传送到滤波器输入端的功率（P1）和滤波器负载上所呈现的功率（P2）比的对数，定量表示为：  传输衰耗=10lg P1/P2（dB）

若以电压表示，则：                    传输衰耗=20lg U1/U2— 10lg R1/R2（dB）

式中：U1   U2 ；R1   R2— 分别为滤波器输入和输出端的电压和规定端接阻抗的电阻分量。

12、通带波动  pass-band ripple

通带内衰耗的最大峰值与最小谷值之差。   注：也可用CCITT建议指标值表示。

13、矩形系数  shape factor

指规定的阻带宽度与通带宽度之比。

14、相对通带宽度  relative bandwidth

带通滤波器的通带宽度与中心频率之百分比。

15、群时延  group delay

指波群或包络传输所产生的时延。其值为在给定频率上，信号源和滤波器输出端正弦信号之间用弧度来表示的相移对角频率的一阶导数。

16、相对时延（又称差分延时）  relative group一delay

在规定的频带内，各频率点绝对时延与通带内最小群时延值差值。

17、工作温度范围  operating temperature range

保证滤波器正常工作的环境温度范围，在该温度范围内，滤波器的性能应满足技术要求。

18、输入阻抗    Input impedance

输出端匹接规定的负载阻抗时，滤波器对信号源所呈现的阻抗值。

19、输出阻抗  output impedance

输入端匹接规定的信号源阻抗时，滤波器对负载所呈现的阻抗值。

20、阻带防卫度 stop-band minimun attenuation

    滤波器在一定频段范围内规定的阻带衰耗值与插入衰耗值之差。

应用指南 

石英晶体滤波器根据其结构不同分为集成式单片滤波器和分离式滤波器。 　　

　　集成式滤波器结构简单、体积小、价格低，但其带宽和频率受到限制，分离式滤波器则可以弥补集成式滤波器的不足，使可实现的频率和带宽得以拓展。 　　

　　数字通讯技术的发展，对晶体滤波器的群延时特性及互调失真指标提出要求，而分离式滤波器能够较容易解决。 

1、 阻抗匹配：性能优良的滤波器在与其端接的电路阻抗不匹配时，滤波特性会变差，引起通带波动增大，插损增加。当外电路阻抗低于滤波器特性阻抗时，中心频率将下移，反之上移。滤波器的测试或使用应符合以下原理图

信号源+电平表"功能由网络分析仪完成

　　Ri、R0：仪器内阻：一般为50Ω

　　R1--滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。

　　R2--滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。

　　在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。 

2、 合理的测量电平；如同晶体对激励电平的要求一样，滤波器中其核心元件仍是晶体，因此激励电平在没有规定时，一般选0dB作为输入电平。 

3、 良好的屏蔽：对滤波器的输入端和输出端进行良好屏蔽，以使信号源的能量不能直接耦合到负载端。对甚高频以上滤波器，则应使滤波器与仪器间的连接尽量符合同轴线原理。滤波器在线路上时应尽可能采用大面积接地，并将输入、输出端隔离，保证滤波器的阻带衰耗。

 产品定购和使用中的注意事项

根据产品手册选择适当的技术参数：如中心频率、通带宽度、带内波动、带外抑制、矩形系数、端接阻抗等；使用中的注意事项：晶体滤波器输入输出端需有隔直电容；合理的接地，大面积接地可以提高带外衰减；良好的阻抗匹配可以得到最佳的滤波效果。 

 附图片: