滤波器的原理与作用

滤波器的原理与作用

滤波器是电子工程中重要的元器件，主要用于过滤干扰信号，保护设备免受电磁干扰。本文将详细介绍滤波器的工作原理、滤波概念、主要参数、作用及使用场景，帮助读者全面了解这一关键技术。

图1 滤波器

1.基本原理

滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理有三种：

1. 利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线(共模)，或将火线高频干扰电流导入零线(差模);
2. 利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源;
3. 利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。

图2 滤波器形状

2.滤波的概念

滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。

一般来说，滤波分为经典滤波和现代滤波。

经典滤波是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念，根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

在经典滤波和现代滤波中，滤波器模型其实是一样的(硬件方面的滤波器其实进展并不大)，但现代滤波还加入了数字滤波的很多概念。

3.主要参数

• 通带带宽：指需要通过的频谱宽度，BW=(f2-f1)。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准。
• 带内波动(Passband Ripple)：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。
• 纹波(Ripple)：指1dB或3dB带宽(截止频率)范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰值。
• 延迟(Td)：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。
• 带内相位线性度：该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度。
• 插入损耗(Insertion Loss)：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。
• 回波损耗(Return Loss)：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝(dB)数，也等于20Log10ρ，ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。
• 中心频率(Center Frequency)：滤波器通带的频率f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。
• 截止频率(Cutoff Frequency)：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。
• 带内驻波比(VSWR)：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR>1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR<1.5：1的带宽一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。
• 阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量;另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数(KxdB>1)，KxdB=BWxdB/BW3dB，(X可为40dB、30dB、20dB等)。滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。

4.作用

1. 将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比;
2. 滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度;
3. 从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。

图5 滤波器外形

5.使用

为了提高电源的品质、电路的线性、减少各种杂波和非线性失真干扰和谐波干扰等均使用滤波器。对武器系统来讲，使用滤波器的场所有：

1. 除总配电系统和分配电系统上设置电源滤波器外，进入设备的电源均要安装滤波器，最好使用线至线滤波器，而不使用线至地滤波器。
2. 对脉冲干扰和瞬变干扰敏感的设备，使用隔离变压器供电时，应在负端加装滤波器。
3. 对含电爆装置的武器系统供电时，应加滤波器。必要时，电爆装置的引线也要加装滤波器。
4. 各分系统或设备之间的接口处，应有滤波器抑制干扰，确保兼容。
5. 设备和分系统的控制信号，其输入和输出端均应加滤波器或旁路电容器。

本文总结了滤波器的原理、滤波概念、参数、作用以及使用注意事项。滤波器种类繁多，各种滤波器具有不同的性能特点，因此在滤波器选择时，通常需要综合考虑客户的实际使用环境以及客户性能需求才能做出正确、有效、可靠的选择。