微波濾波器應(yīng)用選擇的考慮因素

微波濾波器搭建起來很簡單，但理解起來比較復(fù)雜。它們在系統(tǒng)中完成一個基本的功能：阻止某些信號，通過其它信號。但可以用許多不同的方式實(shí)現(xiàn)這種功能，而且有許多不同的副作用，例如系統(tǒng)幅度和相位響應(yīng)失真等。因此在選擇濾波器之前，了解它們之間的差異很有幫助。

濾波器有各種配置：低通、高通、帶通和帶阻或頻帶抑制濾波器。如同名字的含義那樣，低通濾波器對截止點(diǎn)以下信號的衰減最小，同時抑制截止點(diǎn)以上的信號。高通濾波器與此相反。帶通濾波器在圍繞中心頻率的通帶內(nèi)有最小的衰減，對通帶以上和以下信號有很高的抑制。帶阻濾波器與此相反，阻止圍繞中心頻率的窄帶寬內(nèi)的信號，允許所有其它信號通過。此外，具有不同頻率范圍的一對帶通濾波器可以組合起來形成雙路器(diplexer)，或?qū)⑷齻€帶通濾波器組合起來形成三路器(triplexer)，而低通和高通濾波器可以組合形成雙工器。

理想情況下，濾波器對設(shè)計要通過的信號的衰減應(yīng)為0dB，對設(shè)計需要抑制的信號的衰減應(yīng)無窮大。在實(shí)際應(yīng)用中，電介質(zhì)基板材料、導(dǎo)體、和連接器都會造成損耗和非理想的濾波器行為。因此針對指定應(yīng)用選擇哪種濾波器需要考慮許多因素。

濾波器響應(yīng)類型包括巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾和橢圓形濾波器，每種濾波器都有不同的響應(yīng)曲線，適合特定的應(yīng)用場合。例如，巴特沃斯濾波器為了最大限度在保證通帶內(nèi)幅度變化最小，犧牲了從通帶到阻帶的陡峭過渡。切比雪夫?yàn)V波器從通帶到阻帶的過渡非常陡峭，是一種具有高品質(zhì)因數(shù)(高Q)的濾波器，但在幅度平坦度和通帶插損方面有一定的妥協(xié)。貝塞爾濾波器有很好的幅度和瞬態(tài)響應(yīng)，但犧牲了阻帶衰減指標(biāo)。因此貝塞爾濾波器公認(rèn)具有線性相位特性，在整個通帶內(nèi)具有平坦的群時延。橢圓形濾波器從通帶到阻帶的變化也很陡峭，代價是通帶幅度波動和通帶群時延變化較大。

不同類型濾波器的性能水平可以通過共同的一組指標(biāo)進(jìn)行比較，包括插損、抑制、VSWR和電源處理能力。插損與濾波器通帶內(nèi)的信號有關(guān)，是指輸出信號與輸出信號幅度之間的差異(單位dB)。如前所述，理想的通帶插損應(yīng)為0dB，但實(shí)際數(shù)據(jù)較高，通常在1dB以上，具體取決于信號頻率和濾波器類型。

濾波器的阻帶是指一段頻率范圍，在這個頻率范圍內(nèi)需要將信號衰減一定的值。這個衰減值可能是20dB或更高，取決于濾波器制造商如何表征他們的濾波器。對于某個指定應(yīng)用，抑制程度至少應(yīng)將無用信號的幅度降低到足夠小，例如低于同一系統(tǒng)中接收器前端的靈敏度。在一些濾波器類型中，阻帶抑制值可能為80dB或更高。

濾波器的截止頻率將通帶和阻帶明確分隔開來。截止頻率被定義為插損(或抑制)等于3dB或半功率點(diǎn)的頻率。低通或高通濾波器都只有一個截止頻率。帶通或帶阻濾波器則有兩個截止頻率，在帶通濾波器中位于通帶之上和之下，在帶阻濾波器中位于阻帶或陷帶兩邊。此外，對帶通濾波器而言，中心頻率一般是低端截止頻率和高端截止頻率的幾何平均值。例如，某個帶通濾波器的低端截止頻率是2400MHz，高端截止頻率是2500MHz，那么其中心頻率將是2450MHz，3dB帶寬為100MHz。

濾波器的電壓駐波比(VSWR)是衡量濾波器與它所在系統(tǒng)的特征阻抗匹配程度的一個指標(biāo)。濾波器某個端口的VSWR是當(dāng)另外一個端口精確匹配系統(tǒng)特征阻抗(高頻系統(tǒng)中一般為50Ω)時從該端口看進(jìn)去的阻抗。因此，一個濾波器的指標(biāo)通常同時包括輸入VSWR和輸出VSWR的典型值和最大值，分別代表濾波器與它所連接的源和負(fù)載阻抗的匹配程度。VSWR用與1的比例值表示，如1.50:1，但也可以表示為濾波器的反射損耗(單位dB)。如果一個濾波器在通帶和阻帶上都呈現(xiàn)阻抗匹配，那么這個濾波器就被認(rèn)為是吸收型濾波器，當(dāng)只在通帶上做到阻抗匹配時，這個濾波器被認(rèn)為是反射型濾波器。后一種濾波器在阻帶上有較高的VSWR，如20.0:1或更高。濾波器的電源處理能力通常與濾波器的物理尺寸、工作頻率范圍、濾波器技術(shù)、基板材料類型、封裝類型、材料的散熱極限有關(guān)。最大功率極限也是信號類型(如連續(xù)波(CW)或脈沖信號)以及該信號使用的調(diào)制類型的一個函數(shù)。

許多公司都提供有關(guān)濾波器規(guī)格書上寫的那些簡明參考材料的可下載白皮書或應(yīng)用筆記，包括Anatech Electronics公司的《如何規(guī)范射頻和微波濾波器》，該文對不同濾波器類型進(jìn)行了卓有成效的概述;同樣這家公司的《集總元件(LC)濾波器》，該文對這些流行的射頻濾波器進(jìn)行了回顧;Mini-Circuits公司的應(yīng)用筆記《濾波器：介紹、術(shù)語定義、問答》，這個應(yīng)用筆記介紹了濾波器技術(shù)指標(biāo)的含義，并提供了基于該公司緊湊型濾波器的一些應(yīng)用例子。

濾波器類型有許多種，包括位于低頻和高頻的固定和可調(diào)類型，例如基于分立電感(L)和電容(C)的集總元件濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、腔體濾波器、聲表面波(SAW)濾波器、體聲波(BAW)濾波器、薄膜體聲波諧振(FBAR)濾波器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)濾波器甚至有源的半導(dǎo)體可調(diào)濾波器。集總元件或LC濾波器通常工作于頻率約3GHz以下的應(yīng)用。這些濾波器的尺寸取決于工作頻率和LC元件的尺寸。

螺旋式濾波器由一系列磁性耦合腔體組成，也屬于LC濾波器，同樣受限于僅通帶格式下的約3GHz頻率。雖然比傳統(tǒng)的LC濾波器具有更陡峭的響應(yīng)，但輸入功率受限于約5W。

陶瓷濾波器是在很薄的陶瓷基板上制造的，使用分立型或集成式元件組成諧振電路。根據(jù)陶瓷基板的介電常數(shù)。陶瓷濾波器可以做得特別小，介電常數(shù)越高的材料可以做出越小的濾波器。使用批量生產(chǎn)方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小。陶瓷濾波器工作頻率受限于約6GHz，功率電平受限于約5W，但非常適合做成要求小尺寸的帶通和帶阻濾波器。腔體濾波器可以處理高達(dá)約500W的功率電平，并具有突出的插損性能。腔體濾波器的工作頻率可以高達(dá)約30GHz。與LC和陶瓷濾波器相比，它們的體積較大，價格也較貴，因?yàn)樗鼈円话闶菑匿X塊加工而成的。

SAW、BAW和FBAR濾波器采用半導(dǎo)體制造技術(shù)制造，使用光蝕刻工藝產(chǎn)生精細(xì)圖案，而MEMS濾波器采用這些工藝形成三維結(jié)構(gòu)。所有這些濾波器都可以小至2x2mm，雖然在電源處理能力方面有所限制。SAW、BAW和FBAR濾波器通常用于蜂窩通信手機(jī)，工作頻率最高約為3GHz。MEMS濾波器的工作頻率有可能做到18GHz以上。