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浅谈滤波器之——啥是滤波器

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以下文章来源于射频学堂 ,作者RF小木匠

滤波器,顾名思义,就是对信号进行选择性过滤,对不需要的信号进行有效滤除。按照其传输信号的类型可划分为模拟滤波器和数字滤波器,比如卡尔曼滤波器就是数字滤波器的一种,用来对数字信号进行处理。而射频滤波器,则属于模拟滤波器的一种,用来处理电磁波信号。

滤波器的作用就是滤除信号中的噪声和杂波,使经过的信号变得漂亮,就如同大家所用的美颜相机一样。

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射频滤波器按照其滤波特性可分为低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器和带阻滤波器。低通滤波器,也就是低于其截止频率的信号可以通过,而高于其截止频率的信号被衰减掉;高通滤波器则相反:带通滤波器使其通带内的信号通过,而通带外的信号衰减掉;带阻滤波器则相反。其滤波特性如下图所示。

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射频滤波器按照其构成形式又可分为LC滤波器,微带滤波器,同轴腔体滤波器和波导滤波器…

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那么滤波器既然作为一个信号的通道,目的是滤除信号中的噪声或者杂波,使信号变得干净漂亮。那要具备哪些性能呢?

  • 工作频率F0:首先滤波器需要知道信号的中心频率是多少?总不能用一个低频滤波器去干高频滤波器的事。

  • 工作带宽BW:其次滤波器需要知道有效信号的带宽是多少,太窄了,信号不能完整通过,太宽又不能有效滤除杂波。

  • 插入损耗IL: 信号通过的时候,要损失多少能量。当然我们希望越小越好,最好无损的通过去。

  • 回波损耗RL: 信号来的时候,有多少能量被挡在外面,反射回去。这个,也希望越小越好。总而言之,我们希望信号经过滤波器的时候能量无损失,无反射的全部过去。

  • 带外抑制:也称带外衰减,这个是指滤波器通带以外的信号,要尽可能的衰减下去,不让他再去干扰别的信号。

  • 群时延GD: 是指这个信号通过滤波器要走多长时间,这个我们希望群时延在整个滤波器是一致的,也就是信号通过滤波器的时候能够步伐一致的通过,别有的过去了,有的还在后面。

  • 功率容量: 这个也就是滤波器所能承受的最大功率,包括峰值功率和平均功率。

  • 互调IMD:也叫PIM,是担心两路信号在滤波器里面相遇产生爱情的火花,生出来一个落在带外的娃。自己的娃,舍不得打,又去干扰别的信号。无故添些烦恼。设计者也是希望IMD越小越好。

总之,所有的这些指标都是基于滤波器所要处理的信号的特性来定义的。我们希望信号能够完美无损的通过滤波器,滤除不必要的杂波。当然,并不是所有的事情都要尽善尽美,我们只要在这些指标下,进行有效的平衡。设计出价钱,体积,性能都满足系统要求的滤波器就好。

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目前常用的滤波器的设计方法一般称为KQ法,K是指滤波器的耦合系数,Q是指滤波器的谐振器频率和品质因数,也可以理解成滤波器的设计主要是谐振器的设计和耦合的设计。通过耦合矩阵使得谐振器有效的组合起来,来完成滤波器的功效。

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具体的设计流程就是先根据系统的指标,利用滤波器计算软件比如Coupfil或者CST自带的滤波器综合软件来完成滤波器的指标评估,确定滤波器所需要谐振器的个数和耦合矩阵。然后利用电磁仿真软件进行仿真设计,常用的仿真软件是CST或者HFSs,的其他文章有软件的详细介绍。仿真设计完成后,进行画图,然后样品验证和测试,最后实现量产,实现设计的价值。

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最近比较热火的介质滤波器也遵循这个设计流程。

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对于滤波器的初学者,建议多看看历年各个学校的研究生毕业论文和博士论文,可以直接在CNKI⬆️下载文章。硕士论文和博士论文一般都对现有技术和理论基础做了很好的总结,我们可以直接拿来用。然后可以多翻翻卡梅隆的书籍,看不懂不要紧,最起码对里面的一些内容脸熟。然后就是多做一些仿真,仿真成本最低,做一款样品怎么说也的几天时间,花费一些钱。有条件的话,还是做些样品验证,调试也是一个技术活。

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本篇文章只对滤波器做一个粗略的介绍,更多的让人了解这个东西。如需更多的了解,请关注公用号,一起探讨有关滤波器,有关5G,有关电磁场,电磁波的一些东西。言语粗俗,知识浅薄,还望担待。

附录

介质波导滤波器仿真技术研究,是目前网络上能找到的比较新的贾老师的培训资料。大家一起观摩学习下。

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网格处理理论科普信号完整性电磁基础CSTHFSS
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首次发布时间:2021-09-13
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