简介：滤波器在射频系统中的作用
射频滤波器是根据频率选择性地通过或拒绝信号的基本组件。在无线电系统中，滤波器将所需信号与干扰分离，抑制发射器中的谐波，并定义接收器中的通道带宽。
常见滤波器应用
本指南涵盖射频应用的LC滤波器的基础理论和实际设计。我们重点介绍适用于数百MHz以下频率的集总元件设计，并注明更高频率的分布元件实现。
滤波器类型概述
滤波器按其频率响应特性分类。每种类型服务于特定应用，并具有独特的设计考虑因素。
四种基本滤波器类型
低通滤波器（LPF）
- • 通过截止频率以下的频率
- • 衰减更高的频率
- • 用于谐波抑制
- • ADC前的抗混叠
高通滤波器（HPF）
- • 通过截止频率以上的频率
- • 衰减较低的频率
- • 阻止直流和低频噪声
- • 常用于音频耦合
带通滤波器（BPF）
- • 通过特定频率范围
- • 衰减通带上下的频率
- • 接收器中的通道选择
- • 中频滤波器应用
带阻滤波器（BSF）
- • 拒绝特定频率范围
- • 通过上下的频率
- • 干扰的陷波滤波器
- • 杂散信号抑制
滤波器响应特性
滤波器响应类型决定了通带平坦度、过渡陡度和相位线性度之间的权衡。三种经典响应类型涵盖了大多数实际应用。
响应类型比较
巴特沃斯（最平坦）
特性：
- • 最大平坦通带
- • 无通带纹波
- • 中等过渡斜率
- • 良好的相位线性度
最适合：
- • 通用滤波
- • 音频应用
- • 相位重要时
- • 抗混叠滤波器
切比雪夫（等纹波）
特性：
- • 比巴特沃斯更陡的过渡
- • 通带纹波（I型）
- • 阻带纹波（II型）
- • 较差的相位线性度
最适合：
- • 需要更陡的截止
- • 可接受一些纹波
- • 射频/中频滤波
- • EMI滤波器
椭圆（Cauer）
特性：
- • 最陡的过渡
- • 通带和阻带都有纹波
- • 有限传输零点
- • 较差的相位线性度
最适合：
- • 规格的最小阶数
- • 空间受限设计
- • 特定抑制需求
- • 邻道抑制
低通滤波器设计
低通滤波器允许低于截止频率的信号通过，同时衰减更高频率。它们是RF系统中最常见的滤波器类型，用于抗混叠、谐波抑制和频谱整形。
基本LC拓扑
L型（2阶）
组件： 1L + 1C
- • 最简单的配置
- • 12 dB/倍频程滚降
- • 有限的阻带衰减
- • 适合基本滤波
π型（3阶）
组件： 2C + 1L
- • 18 dB/倍频程滚降
- • 输入和输出电容接地
- • 良好的源和负载隔离
- • 常用于50Ω系统
T型（3阶）
组件： 2L + 1C
- • 18 dB/倍频程滚降
- • 串联电感分压
- • 并联电容接地
- • 较低的DC阻抗
梯形（高阶）
组件： nL + nC
- • 每增加一节增加6 dB/倍频程
- • 可实现任何响应类型
- • 需要设计表格或软件
- • 最灵活的方法
设计注意事项
- 截止频率： 通带纹波为0.5dB时定义为fc，巴特沃斯滤波器为-3dB点
- 阻抗匹配： 滤波器应该匹配源和负载阻抗（通常为50Ω或75Ω）
- 元件公差： 紧公差部件（1-2%）对于保持滤波器性能至关重要
- 寄生效应： 考虑ESR、ESL、PCB电容和互感，尤其是在高频时
设计公式（巴特沃斯）
对于2阶巴特沃斯低通滤波器（L型，R = 50Ω）：
高通滤波器设计
高通滤波器允许高于截止频率的信号通过，同时衰减较低频率。它们用于DC阻断、基带抑制和AC耦合应用。
高通LC拓扑
高通滤波器可以通过交换低通滤波器拓扑中的电感和电容来派生：
- 低通串联电感 → 高通串联电容
- 低通并联电容 → 高通并联电感
C-L型（2阶）
组件： 1C + 1L
- • 串联电容阻断DC
- • 12 dB/倍频程滚降
- • 良好的AC耦合
- • 简单实用
T型（3阶）
组件： 2C + 1L
- • 18 dB/倍频程滚降
- • 串联电容分压
- • 并联电感接地
- • 无DC路径
高通滤波器关键应用
- DC阻断： 在级间耦合中移除DC偏置，同时传递AC信号
- 基带抑制： 在上变频器和混频器应用中抑制低频成分
- 图像抑制： 在接收器前端过滤不需要的频率成分
- EMI滤波： 与低通滤波器结合形成带通响应用于EMC合规
设计公式（巴特沃斯）
对于2阶巴特沃斯高通滤波器（C-L型，R = 50Ω）：
带通滤波器设计
带通滤波器允许特定频率范围内的信号通过，同时衰减带外频率。它们对于信道选择、中频滤波和频谱隔离至关重要。
带通滤波器设计方法
级联方法
低通 + 高通级联
- • 简单的设计过程
- • 适用于宽带宽
- • 需要缓冲级
谐振方法
耦合谐振器
- • 紧凑的设计
- • 适用于窄带宽
- • 更高的Q值要求
关键参数
- 中心频率 (f₀)： 通带的几何中心
- 带宽 (BW)： 上下截止频率之差
- 品质因数 (Q)： Q = f₀ / BW (更高的Q表示更窄的带宽)
带阻滤波器设计
带阻滤波器（也称为陷波滤波器）衰减特定频率范围，同时允许所有其他频率通过。它们用于干扰抑制、谐波抑制和EMI滤波。
带阻滤波器应用
- • 无线电干扰抑制： 消除特定干扰频率
- • 谐波抑制： 在发射器中移除不需要的谐波
- • 时钟馈通抑制： 在混合信号系统中
射频滤波器元件选择
选择合适的元件对于实现滤波器的性能至关重要。RF应用需要考虑元件Q值、自谐振频率、寄生效应和温度稳定性。
电容器选择
- • C0G/NP0： 最佳稳定性，Q > 1000
- • X7R： 更高容量，Q 500-1000
- • 检查SRF： 必须远高于工作频率
电感器选择
- • 空芯/线绕： 最高Q值（> 100）
- • 陶瓷芯： 紧凑，Q 40-80
- • 屏蔽： 减少耦合和EMI
射频滤波器PCB布局
关键布局原则
- 最小化迹线长度： 保持元件间距紧凑以减少寄生电感
- 接地平面： 使用坚固的接地平面实现低阻抗返回路径
- 通孔放置： 在元件旁边使用多个接地通孔
- 隔离： 通过接地保护和间距防止输入-输出耦合
滤波器仿真与验证
仿真对于在制造前验证滤波器设计至关重要。使用真实的元件模型并考虑PCB寄生效应。
常用仿真工具
- • SPICE: 电路级仿真，元件寄生效应
- • ADS/AWR: RF专用工具，S参数分析
- • HFSS/CST: 3D EM仿真用于高频（>1 GHz）
实用滤波器设计示例
示例1：2.4 GHz WiFi低通滤波器
规格：
- • 截止频率：3 GHz
- • 阻抗：50Ω
- • 类型：3阶巴特沃斯
元件值：
- • C1 = 1.5 pF (C0G)
- • L1 = 3.75 nH (陶瓷)
- • C2 = 1.5 pF (C0G)
示例2：433 MHz ISM带通滤波器
中心频率： 433 MHz | 带宽： 20 MHz | Q: 21.7
使用LC谐振器耦合方法实现窄带宽
滤波器故障排除指南
常见问题和解决方案
问题：截止频率偏移
- • 检查元件公差和实际值
- • 考虑PCB寄生电容（~0.1-0.3 pF/cm）
- • 验证元件自谐振频率
问题：插入损耗过高
- • 使用更高Q值的元件
- • 最小化迹线电阻（使用更宽的迹线）
- • 检查焊点质量和连接
问题：阻带抑制不足
- • 增加滤波器阶数
- • 改善输入-输出隔离（添加屏蔽）
- • 使用椭圆响应而不是巴特沃斯
关键要点
- 根据应用选择滤波器类型：LPF、HPF、BPF或BSF
- 响应类型（巴特沃斯、切比雪夫、椭圆）在平坦度和陡度之间权衡
- 元件Q值直接影响插入损耗和可实现的带宽
- PCB布局可以成就或破坏滤波器性能
- 使用真实模型的仿真对于制造前至关重要
- 从满足规格的最小阶数开始，为生产添加裕量