濾波器的種類及特點

01.射頻/中頻濾波器

1腔體濾波器

射頻前端，特別是在無線通信中，腔體濾波器因為其性能卓越，經(jīng)常被用作放在前端。 腔體濾波器由金屬腔體、諧振器（金屬桿或圓柱）、輸入 / 輸出耦合結(jié)構(gòu)（如耦合環(huán)、探針）及調(diào)諧元件（如螺桿、電容）組成。金屬腔體通常為矩形或圓柱形，由高電導率金屬（如鋁、銅）制成，形成電磁屏蔽的封閉空間，抑制電磁泄漏；諧振器為腔體內(nèi)部的金屬桿或圓柱，等效為 LC 諧振回路，其長度、直徑?jīng)Q定諧振頻率。耦合結(jié)構(gòu)連接外部傳輸線（如波導、同軸電纜）與諧振器，實現(xiàn)信號的輸入 / 輸出耦合。調(diào)諧元件通過調(diào)節(jié)螺桿位置或電容值，改變諧振器的等效電感 / 電容，微調(diào)諧振頻率和帶寬。

腔體濾波器具有高 Q 值、高功率容量、高帶外抑制的特點。所以經(jīng)常被用在基站收發(fā)鏈路，雷達與衛(wèi)星通信射頻前端。 但是，同樣也有體積大、成本高、調(diào)試復雜的劣勢。

圖1. 腔體濾波器

圖2. 腔體濾波器頻響

2聲表面波濾波器（SAW）

聲表面波濾波器（SAW）是一種利用聲波在晶體材料表面?zhèn)鞑ヌ匦詠硖幚頍o線電信號的電子元件。其工作原理為輸入換能器將電信號變成聲信號，沿晶體表面?zhèn)鞑ィ敵鰮Q能器再將接收到的聲信號變成電信號輸出。當輸入叉指換能器接上交流電壓信號時，壓電晶體基片的表面就產(chǎn)生振動，并激發(fā)出與外加信號同頻率的聲波，此聲波主要沿著基片的表面的與叉指電極升起的方向傳播，故稱為聲表面濾波。其中一個方向的聲波被吸聲材料吸收，另一個方向的聲波則傳送到輸出叉指換能器，被轉(zhuǎn)換為電信號輸出。其特點是工作頻率高、通頻帶寬、選頻特性好、體積小和重量輕等，并且可采用與集成電路相同的生產(chǎn)工藝，制造簡單，成本低，頻率特性的一致性好。不過，其所需基片材料價格昂貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。

相對腔體濾波器，SAW濾波器一般插損比較大，但是因其Q值高，體積小等特點，它通常用在手機等移動通信設備中，用于發(fā)射端和接收端的濾波，確保通話質(zhì)量清晰穩(wěn)定，滿足工作頻段、體積和性能價格比等方面的要求。同樣，SAW濾波器也經(jīng)常會用在混頻器后端，過濾中頻信號，抑制本振泄露和二中頻。但是因為其物理特性，SAW濾波器一般工作頻率通常在10M~3G頻段。

圖3. SAW濾波器頻響

3帶諧振腔體聲波濾波器（BAW）

BAW 濾波器基于壓電效應，通過三明治結(jié)構(gòu)的壓電層與金屬電極的諧振實現(xiàn)信號過濾。其基本結(jié)構(gòu)是由夾在兩個金屬電極之間的薄壓電薄膜組成，當在電極上施加電場時，壓電材料產(chǎn)生機械振動，進而產(chǎn)生在薄膜內(nèi)傳播的聲波。聲波的諧振頻率由壓電薄膜的厚度和材料特性決定，通過調(diào)整薄膜厚度，可將諧振頻率調(diào)至所需的工作范圍。

相比于SAW濾波器，其高頻性能卓越，支持 2.5GHz 以上頻段，插入損耗低至 1.5dB，帶外抑制能力超過 40dB，能完美適配 現(xiàn)代無線通信需求。另外，其溫度穩(wěn)定性強，相比 SAW 濾波器，溫度漂移降低 50% 以上，能適應復雜環(huán)境。在體積上，通過微型化技術(shù)，尺寸可縮小至 0.5mm×0.5mm，滿足手機、物聯(lián)網(wǎng)設備等的緊湊設計要求。

圖4. BAW濾波器頻響

表1. SAW,BAW濾波器區(qū)別

4介質(zhì)濾波器（Dielectric Filter）

介質(zhì)濾波器是一種利用介質(zhì)材料（如陶瓷、藍寶石等）的電磁諧振特性實現(xiàn)頻率選擇的射頻器件。其核心原理是通過介質(zhì)材料的高介電常數(shù)和低損耗特性，在有限體積內(nèi)形成諧振腔，對特定頻率信號進行濾波；介質(zhì)諧振腔由高介電常數(shù)的介質(zhì)材料（如鈦酸鋇陶瓷、碳化硅）制成塊狀或柱狀結(jié)構(gòu)，周圍包裹金屬屏蔽層，形成封閉的諧振腔。介質(zhì)材料的介電常數(shù)（ε_r）決定了諧振腔的尺寸（ε_r 越高，體積越小）。通過輸入 / 輸出端口的金屬探針或耦合環(huán)，將電磁能量耦合到諧振腔中，利用諧振腔的固有頻率（由尺寸和材料決定）實現(xiàn)選頻。當輸入信號頻率等于諧振腔的固有頻率時，能量通過諧振腔傳輸，形成通帶。偏離固有頻率的信號因失諧被抑制，形成阻帶。

圖5. 介質(zhì)濾波器

圖6. 介質(zhì)濾波器頻響

表2. 不同濾波器區(qū)別

5陶瓷濾波器（Ceramic Resonator Filter）

陶瓷濾波器是利用壓電陶瓷材料的機電耦合效應（壓電效應）實現(xiàn)頻率選擇的器件。它具有體積小、重量輕的特點，適合小型化設備（如手機、無人機）。溫度系數(shù)優(yōu)于 LC 濾波器，耐環(huán)境變化；缺點是頻率一致性差，不同批次產(chǎn)品諧振頻率可能偏移；通頻帶較窄,難以滿足寬頻帶應用; 插入損耗限制,高頻段（如 GHz 級）損耗略高于介質(zhì)濾波器。

6LTCC濾波器

LTCC（低溫共燒陶瓷，Low-Temperature Co-fired Ceramic）濾波器是基于 LTCC 工藝制造的多層陶瓷射頻器件，通過在陶瓷基板內(nèi)埋入金屬導體（如銅、銀）形成復雜的諧振腔、傳輸線和耦合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對射頻信號的頻率選擇。其核心優(yōu)勢在于多層集成能力和高頻性能。

LTCC濾波器體積較小，雖然沒有像腔體濾波器那樣的Q值，但是在一些特定場景的濾波器中起著關鍵作用，譬如，在濾除本振的二次，三次諧波上，本身要求濾波器的Q值沒有那么嚴格。

圖7. LTCC濾波器

圖8. LTCC濾波器頻響

7LC濾波器

LC 濾波器是一種由電感（L）和電容（C）組成的無源濾波器，用于根據(jù)頻率對信號進行篩選，允許特定頻段的信號通過，同時衰減其他頻率成分。

電感具有阻礙電流變化的特性，其感抗與頻率成正比，即 XL = 2πfL，頻率越高，感抗越大，對高頻信號的阻礙作用越強，而對低頻信號的阻礙作用較小，具有通低頻、阻高頻的特點。電容具有儲存電荷的能力，其容抗與頻率成反比，即 XC = 1/（2πfC），頻率越高，容抗越小，對高頻信號的阻礙作用越小，而對低頻信號的阻礙作用較大，具有通高頻、阻低頻的特點。通過將電感和電容進行適當?shù)慕M合，利用它們對不同頻率信號的不同阻礙作用，形成對特定頻率的諧振或衰減，從而實現(xiàn)濾波功能。當信號頻率等于 LC 電路的諧振頻率時，電感和電容的阻抗相互抵消，電路呈現(xiàn)純電阻特性，此時信號可以順利通過；而對于其他頻率的信號，則會受到不同程度的衰減。LC濾波器一般用在較低的頻率，譬如用在ACD采樣前的抗混疊濾波等。

圖9. LC濾波器頻響

02.數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器是一種通過數(shù)字運算對離散時間信號進行處理的系統(tǒng)，其核心功能是選擇性地讓某些頻率成分的信號通過，同時抑制或衰減其他頻率成分。

數(shù)字濾波器的性能（如截止頻率、衰減率）由算法參數(shù)決定，不受溫度、濕度、電源電壓等環(huán)境因素影響，精度可通過數(shù)字運算精確控制（例如，通過調(diào)整系數(shù)實現(xiàn) 0.1Hz 級的頻率精度）。無需更換硬件，僅通過修改算法參數(shù)（如濾波器階數(shù)、系數(shù)）即可改變?yōu)V波特性（例如，同一硬件平臺可通過軟件切換低通、高通、帶通等模式）?？稍谕幌到y(tǒng)中實現(xiàn)多種濾波功能，通過分時處理或并行運算，對不同信號采用不同濾波策略，適應復雜場景（如通信系統(tǒng)中同時處理多個頻段的信號）

03.不同種類濾波器的特地及應用

根據(jù)以上，濾波器從大的種類分為射頻無源和數(shù)字兩類，特性與適用場景差異明顯。腔體濾波器Q 值極高、功率容量大，適配 5G 基站、雷達等大功率場景，但價格高昂、體積偏大；SAW 濾波器成本適中，多用于中低端消費電子，不過高頻環(huán)境下 Q 值會明顯衰減；BAW 濾波器主打 1.5-10GHz 高頻段，Q 值和溫度穩(wěn)定性優(yōu)于 SAW，是高端 5G 終端核心射頻器件，成本相對較高。

LTCC 濾波器依托低溫共燒陶瓷工藝，集成度高、體積小，Q 值處于 300-1000 區(qū)間，頻段覆蓋 0.1-6GHz，適配 Wi-Fi、藍牙等小型化無線設備，成本介于陶瓷與 SAW 之間；LC 濾波器成本最低、Q 值偏低，僅適用于簡易民用電子；FIR 為數(shù)字濾波器，無硬件頻率限制，依靠算法實現(xiàn)濾波，無額外硬件成本且穩(wěn)定性強，多用于數(shù)字基帶、音頻等信號處理領域。

表3. 濾波器特點總結(jié)（向右滑動查看）

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