濾波器是什么?濾波器是對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾的器件，一般有兩個(gè)端口，一個(gè)輸入信號(hào)、一個(gè)輸出信號(hào)。可以說(shuō)它是重要的電子元器件，濾波器把電源功率傳輸?shù)皆O(shè)備上，大大衰減經(jīng)電源傳入的EMI電磁干擾信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受其害;同時(shí)，又能有效地控制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止它進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設(shè)備。那么濾波器的工作原理是如何的?作用又是什么呢?本文將介紹濾波器的原理、濾波概念以及作用。
圖1 濾波器
1.基本原理
濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成，它允許有用信號(hào)的電流通過(guò)，對(duì)頻率較高的干擾信號(hào)則有較大的衰減。由于干擾信號(hào)有差模和共模兩種，因此濾波器要對(duì)這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理有三種：
(1)利用電容通高頻隔低頻的特性，將火線、零線高頻干擾電流導(dǎo)入地線(共模)，或?qū)⒒鹁€高頻干擾電流導(dǎo)入零線(差模);
(2)利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源;
(3)利用干擾抑制鐵氧體可將一定頻段的干擾信號(hào)吸收轉(zhuǎn)化為熱量的特性，針對(duì)某干擾信號(hào)的頻段選擇合適的干擾抑制鐵氧體磁環(huán)、磁珠直接套在需要濾波的電纜上即可。
圖2 濾波器形狀
2.濾波的概念
濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念，濾波電路的作用是盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。
圖3 濾波前后波形
一般來(lái)說(shuō)，濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。
經(jīng)典濾波是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念，根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。
換句話說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。
圖4 濾波時(shí)域與頻域圖
在經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波中，濾波器模型其實(shí)是一樣的(硬件方面的濾波器其實(shí)進(jìn)展并不大)，但現(xiàn)代濾波還加入了數(shù)字濾波的很多概念。
3.主要參數(shù)
通帶帶寬：指需要通過(guò)的頻譜寬度，BW=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn)。
帶內(nèi)波動(dòng)(Passband Ripple)：通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動(dòng)是1dB。
紋波(Ripple)：指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內(nèi)，插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動(dòng)的峰值。
延遲(Td)：指信號(hào)通過(guò)濾波器所需要的時(shí)間，數(shù)值上為傳輸相位函數(shù)對(duì)角頻率的導(dǎo)數(shù)，即Td=df/dv。
帶內(nèi)相位線性度：該指標(biāo)表征濾波器對(duì)通帶內(nèi)傳輸信號(hào)引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的相位線性度。
插入損耗(Insertion Loss)：由于濾波器的引入對(duì)電路中原有信號(hào)帶來(lái)的衰耗，以中心或截止頻率處損耗表征，如要求全帶內(nèi)插損需強(qiáng)調(diào)。
回波損耗(Return Loss)：端口信號(hào)輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數(shù)，也等于20Log10ρ，ρ為電壓反射系數(shù)。輸入功率被端口全部吸收時(shí)回波損耗為無(wú)窮大。
中心頻率(Center Frequency)：濾波器通帶的頻率f0，一般取f0=(f1+f2)/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對(duì)下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。窄帶濾波器常以插損最小點(diǎn)為中心頻率計(jì)算通帶帶寬。
截止頻率(Cutoff Frequency)：指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。通常以1dB或3dB相對(duì)損耗點(diǎn)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)定義。相對(duì)損耗的參考基準(zhǔn)為：低通以DC處插損為基準(zhǔn)，高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插損為基準(zhǔn)。
帶內(nèi)駐波比(VSWR)：衡量濾波器通帶內(nèi)信號(hào)是否良好匹配傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。理想匹配VSWR=1：1，失配時(shí)VSWR>1。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的濾波器而言，滿足VSWR<1.5：1的帶寬一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例與濾波器階數(shù)和插損相關(guān)。
阻帶抑制度：衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說(shuō)明對(duì)帶外干擾信號(hào)抑制的越好。通常有兩種提法：一種為要求對(duì)某一給定帶外頻率fs抑制多少dB，計(jì)算方法為fs處衰減量;另一種為提出表征濾波器幅頻響應(yīng)與理想矩形接近程度的指標(biāo)——矩形系數(shù)(KxdB>1)，KxdB=BWxdB/BW3dB，(X可為40dB、30dB、20dB等)。濾波器階數(shù)越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作難度當(dāng)然也就越大。
4.作用
(1)將有用的信號(hào)與噪聲分離，提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比;
(2)濾掉不感興趣的頻率成分，提高分析精度;
(3)從復(fù)雜頻率成分中分離出單一的頻率分量。
圖5 濾波器外形
5.使用
為了提高電源的品質(zhì)、電路的線性、減少各種雜波和非線性失真干擾和諧波干擾等均使用濾波器。對(duì)武器系統(tǒng)來(lái)講，使用濾波器的場(chǎng)所有：
(1)除總配電系統(tǒng)和分配電系統(tǒng)上設(shè)置電源濾波器外，進(jìn)入設(shè)備的電源均要安裝濾波器，最好使用線至線濾波器，而不使用線至地濾波器。
(2)對(duì)脈沖干擾和瞬變干擾敏感的設(shè)備，使用隔離變壓器供電時(shí)，應(yīng)在負(fù)端加裝濾波器。
(3)對(duì)含電爆裝置的武器系統(tǒng)供電時(shí)，應(yīng)加濾波器。必要時(shí)，電爆裝置的引線也要加裝濾波器。
(4)各分系統(tǒng)或設(shè)備之間的接口處，應(yīng)有濾波器抑制干擾，確保兼容。
(5)設(shè)備和分系統(tǒng)的控制信號(hào)，其輸入和輸出端均應(yīng)加濾波器或旁路電容器。
本文總結(jié)了濾波器的原理、濾波概念、參數(shù)、作用以及使用注意事項(xiàng)。濾波器種類繁多，各種濾波器具有不同的性能特點(diǎn)，因此在濾波器選擇時(shí)，通常需要綜合考慮客戶的實(shí)際使用環(huán)境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。
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