【摘要】
滤波器是许多模拟射频电路与系统的设计问题的中心。滤波器可以被用来区分不同频率的信号，实现各种模拟信号的处理过程，因而在现代模拟射频电路与系统中得到了广泛的应用。
滤波器按照不同的标准可以有不同的分类，按作用分类（低通、带通）；按结构分类（腔体、同轴）；按频带大小分类（窄带、宽带）。所有的分类方法都是依照个人应用需求而定的，所以多少存在一定的随意性。在目前的电路系统中，LC滤波器由于具有结构简单，造价低廉，性能稳定的优点，因而得到了广泛的应用。但是，因为LC滤波器是基于集总元件而构建的，所以在设计与调试过程中存在不少的困难。因此本文提供了一个工程上可实现的实际滤波器设计个例；而针对传统滤波器调谐困难的问题，在文章中，还讨论了基于时域的滤波器调谐方案。

2.2.滤波器设计中的考虑
当选定滤波器的阶数后，我们就可以转入滤波器的详细设计过程。我们还是基于Ansoft Designer 软件。

选定频率、阶数等参数后，选择Next，软件会自动给出设计完成后的滤波器元件参数与分析结果，见图11。

这是由于电容在高频时特性下降所造成的，而且如果选用的电容特性不好，以致于电容的谐振频率接近边带频率，这种上翘的倾向会更加严重，以致于xx不能满足带外特性。

面对这种情况，我们可以有两个选择：1 增加滤波器的阶数，使得高频段的衰减更加陡峭，来补偿滤波器中电容的高频特性；2采取其他的补偿方式。如果采取方案1的话，带来的必然结果就是滤波器的复杂度的增加，以及调试难度的增加。所以，一般不建议在满足低频段阻带衰减要求的时候增加滤波器的阶数。那么，我们只剩下了一个选择，在滤波器的结构上加以变化。通常这种变化有两种：1在滤波器的两端加低通滤波器，利用低通的高频衰减特性，来抵消电容的高频特性；2改造原有电路的传递函数，在传递函数中添加额外的传输零点，从而改善带外响应特性，获得所谓的Cross-Coupled Filter.。

{dy}种方法较好理解，下面解释一下第二种方法。我们知道，传统的由低通到带通的变换而得到的滤波器传递函数是全极点形式的。这意味着，如果我们能够添加额外的传输零点，比如在带外，那么我们就可以在传输零点附近得到很大的衰减，从而改善带外特性。具体的讨论见附录A.

现在，我们先设计一个低通滤波器，使其频率截止点在上边带附近，来改善幅频特性。低通的幅频特性见图12。

然后，我们把该低通与之前设计的带通相组合，就可以得到所需要的带通滤波器。将上述设计的滤波器在工程上实现后，得到了如下测试数据。从测试结果来看，xx满足设计要求。

在此应该特别注意的是，我们在滤波器指标方面提出了相位波动的要求，请注意不是相位要求。相位特性通常指的是正向传输系数S21的相位与频率的关系。其特性见图13。

但是，这个特性并不代表相位波动特性。这可能会使得一些读者产生迷惑，所以我们先解释一下什么是相位波动。一个滤波器电路，可以等效于一段传输线。当传输线的特性是非色散时，通过传输线的信号的相位关系将严格保持输入时的相位关系。但是，当传输线是色散传输线时，由于传输线对于不同频率信号的响应会有不同，输出信号的相位关系将不会再严格保持输入时的原有的相位关系。从统计学的角度来看，两次输出信号相位差异表现为：非色散时，信号相位是平均分布在均值上的；色散时，信号相位是随机分布在均值附近的。这个相位分布与均值之间的差值就是相位波动。这其实就是为什么在使用网络分析仪测量传输线的相位波动时，需要调整Electrical Delay的原因。调整Electrical Delay实际上就是为了求得色散传输线的相位均值，从而求得分布差值。

那么如何求得这个随机分布呢？一般而言，直接求得滤波器的传输函数的相频分布特性是比较困难的，而且没有现成的工具可以利用。考虑到群时延(Group Delay)的定义，GD=dΨ/dω。输出信号的相频特性是可以用群时延来刻画的，Ψ=GD*ω。求相位的分布就转化为求群时延的分布了。而求群时延的函数在所有的设计软件中都有包括。我们只要使得设计的滤波器的带宽落在群时延特性平坦的部分即可满足相位波动要求。当然还需要计算一下具体的结果。群时延特性见图14。

2.3.滤波器工程实现中的考虑
滤波器在工程实现时，我们还会遇到下面一些问题。

1 滤波器基板的选择

2 滤波器电容的选择

3 滤波器调试

滤波器调试的问题，我们在本文的第三部分将会详细说明。下面讨论一下关于基板与电容的选取。

2.3.1 基板的选取
滤波器的基板，主要是在结构上起支撑组成滤波器的电容与电感的作用。但是，这并不是说基板对于滤波器的性能没有影响，作用可以忽略。其实，基板的影响是很大的。当基板的Q值较小时，其分布参数较大，这些分布参数会严重的影响滤波器的表现，严重时，会使得滤波器的谐振节根本不起振，从而彻底破坏滤波器的工作情况。所以，在选择基板时，一般应该选用分布参数小，介电常数高，Q值高的微波介质板。为了能够焊接电容、电感，基板上不可避免留有孤立的金属部分，这些金属部分就等效于电容了。这些电容可以利用平板电容器的计算公式来估算，以便在实际加工时加以补偿。

2.3.2.电容的选取
滤波器中使用的电容，应该加以特别的注意。因为这是整个滤波器电路中{wy}不可调整的元件，并且对滤波器的性能有决定性的影响。

通常我们的电容都是选取片式瓷介电容器，这种电容器具有体积小，介电常数高的特点，非常适合应用于滤波器电路。瓷介电容器的种类繁多，生产厂家众多，既带来了选择上的多样性，也给具体的选择带来了复杂性。在此，根据作者本人的使用经验，提出一些选取原则，以供参考。

首先，陶瓷电容根据所选用的介质不同，可以细分为1类陶瓷电容、2类陶瓷电容和3类陶瓷电容。介质的特性会直接影响电容的最终表现。

1类陶瓷电容通常选用NP0介质。这种介质具有介电常数高，温度特性与频率特性好的优点。适用于振荡与滤波电路。

2类陶瓷电容通常选用X7R介质。这种介质的温度特性与频率特性稍逊于NP0介质。但是它的优点是在于可以在相同的封装尺寸里，得到更高的电容值。适用于振荡与滤波电路。

3类陶瓷电容通常选用Y5V介质。这种介质从温度特性与频率特性上看，要逊于NP0介质和X7R介质。但是该介质有一个缺点，就是具有压电效应(Piezoelectric Effect)。当在电容两端施加交流电压时，电容本身会随着外加电压的频率而收缩、伸展，这会降低电容的可靠性，并有可能导致电容失效。特别的，当应用于滤波器网络这种相位敏感的电路中时，可能会导致伴随着外加机械振动的相位变化。这种效应是不可以接受的。所以，3类陶瓷电容不适合在滤波器电路中使用。

从上述论述中可以看出，在滤波器电路中，建议使用1类陶瓷电容。至于电容是国产的好，还是进口的好，这没有一定的结论。因为材料、工艺的影响，每一个批次的产品之间都会存在微小的差别。这种差别最终会体现在电容的各种特性上，相对而言，最受影响的便是电容的品质因数Q，而品质因数会直接影响滤波器的带内衰减特性与带外抑制特性。所以，在工程实践中，反复的实验是不可避免的。但是，通常而言，国外的产品在测试数据完整性方面、电容品质因数方面、精度与标称值的选择方面会有优势；而国内产品则在价格与供货方面有优势。