通信系统中滤波器的种类及特点（2）

滤波器的种类及特点

01.射频/中频滤波器1腔体滤波器射频前端，特别是在无线通信中，腔体滤波器因其优异的性能而常用于前端。腔体滤波器由金属腔体、谐振器（金属棒或圆柱体）、输入/输出耦合结构（如耦合环、探头）和调谐元件（如螺钉、电容器）组成。金属腔体通常为矩形或圆柱形，由高导电金属（如铝、铜）制成，形成电磁屏蔽的封闭空间，抑制电磁泄漏；谐振器是腔体内的金属棒或圆柱体，相当于LC谐振电路，其长度和直径决定谐振频率。耦合结构连接外部传输线（如波导、同轴电缆）和谐振器，实现信号的输入/输出耦合。调谐元件通过调节螺钉位置或电容值来改变谐振器的等效电感/电容，并微调谐振频率和带宽。

腔体滤波器具有高Q值、高功率承受能力、高带外抑制等特点。因此，它常用于基站收发器链路、雷达和卫星通信射频前端。但它也存在体积大、成本高、调试复杂等缺点。

图1. 空腔滤波器

图2. 空腔滤波器频率响应

2声表面波滤波器（SAW）声表面波滤波器（SAW）是一种利用声波在晶体材料表面的传播特性来处理无线电信号的电子元件。其工作原理是输入换能器将电信号转换成声信号，并沿晶体表面传播，输出换能器将接收到的声信号转换成电信号输出。当输入叉指换能器连接交流电压信号时，压电晶体基板表面振动并激发出与外部信号频率相同的声波。这种声波主要沿基板表面和叉指电极上升的方向传播，因此称为表面声波滤波。一个方向的声波被吸声材料吸收，另一方向的声波传输到输出叉指换能器，转换成电信号输出。其特点是工作频率高、通带带宽、选频特性好、体积小、重量轻。它可以采用与集成电路相同的生产工艺，制造简单、成本低、频率特性一致性好。然而，所需的基板材料价格昂贵，并且需要较高的基板取向、切割、研磨、抛光和制造工艺。

与腔体滤波器相比，SAW滤波器通常具有较大的插入损耗。但由于其Q值高、体积小，通常用于手机等移动通信设备中，在发射端和接收端进行滤波，以保证清晰稳定的通话质量，并满足工作频段、体积和性价比的要求。同样，SAW 滤波器通常用在混频器的后端，以过滤中频信号并抑制本地振荡器泄漏和二次中频。但由于其物理特性，SAW滤波器的一般工作频率通常在10M~3G频段。

图3. SAW 滤波器频率响应

3带谐振腔体声波滤波器（BAW）BAW滤波器基于压电效应，通过三明治结构的压电层与金属电极的谐振实现信号滤波。其基本结构由夹在两个金属电极之间的压电薄膜组成。当电场施加到电极时，压电材料产生机械振动，进而产生在薄膜内传播的声波。声波的谐振频率由压电薄膜的厚度和材料特性决定。通过调整薄膜厚度，可以将谐振频率调整到所需的工作范围。

与SAW滤波器相比，具有优异的高频性能，支持2.5GHz以上频段，插入损耗低至1.5dB，带外抑制能力超过40dB，可以完美满足现代无线通信的需求。此外，它还具有很强的温度稳定性。与SAW滤波器相比，温漂降低50%以上，能适应复杂环境。体积方面，通过小型化技术，尺寸可缩小至0.5mm0.5mm，满足手机、物联网设备等紧凑型设计要求。

图4. BAW 滤波器频率响应

表1. SAW 和BAW 滤波器之间的差异

4介质滤波器（Dielectric Filter）介质滤波器是一种利用介质材料（如陶瓷、蓝宝石等）的电磁共振特性来实现选频的射频器件。其核心原理是通过介质材料的高介电常数和低损耗特性，在有限的体积内形成谐振腔，过滤特定频率的信号；介质谐振腔采用高介电常数介质材料（如钛酸钡陶瓷、碳化硅）制成块状或柱状结构，并用金属屏蔽层包围，形成封闭的谐振腔。介电材料的介电常数（_r）决定谐振腔的大小（_r越高，体积越小）。电磁能通过输入/输出端口处的金属探针或耦合环耦合到谐振腔中，利用谐振腔的固有频率（由尺寸和材料决定）来实现频率选择。当输入信号频率等于谐振腔的固有频率时，能量通过谐振腔传输，形成通带。偏离固有频率的信号由于失谐而被抑制，形成阻带。

图5. 介质滤波器

图6. 介质滤波器频率响应

表2. 不同过滤器之间的差异

5陶瓷滤波器（Ceramic Resonator Filter）陶瓷滤波器是利用压电陶瓷材料的机电耦合效应（压电效应）实现频率选择的器件。具有体积小、重量轻的特点，适用于小型化设备（如手机、无人机）。温度系数优于LC滤波器，耐环境变化；缺点是频率一致性差，不同批次产品的谐振频率可能会发生偏移；通带较窄，难以满足宽带应用；插入损耗有限，高频段（如GHz级）损耗略高于介质滤波器。

6LTCC滤波器LTCC（低温共烧陶瓷）滤波器是基于LTCC工艺制造的多层陶瓷射频器件。将金属导体（如铜、银）嵌入陶瓷基板中，形成复杂的谐振腔、传输线和耦合结构，实现射频信号的选频。其核心优势在于多层集成能力和高频性能。

LTCC 滤波器尺寸较小。虽然它不具有腔体滤波器那样的Q值，但在某些特定场景下，它在滤波器中发挥着关键作用。例如，在滤除本振的二次谐波和三次谐波时，滤波器本身的Q值就没有那么严格。

图7. LTCC 滤波器

图8. LTCC 滤波器频率响应

7LC滤波器LC滤波器是由电感器(L)和电容器(C)组成的无源滤波器。它用于根据频率过滤信号，允许特定频段的信号通过，同时衰减其他频率成分。

电感器具有阻碍电流变化的特性。其感抗与频率成正比，即电容器具有存储电荷的能力，其容抗与频率成反比，即通过适当组合电感和电容器，利用它们对不同频率信号的不同阻断作用，形成特定频率的谐振或衰减，从而实现滤波功能。当信号频率等于LC电路的谐振频率时，电感和电容的阻抗相互抵消，电路呈现纯电阻特性。此时信号可以顺利通过；而其他频率的信号则会有不同程度的衰减。 LC滤波器一般用在较低频率，如ACD采样前的抗混叠滤波。

图9. LC 滤波器频率响应

02.数字滤波器数字滤波器是通过数字运算处理离散时间信号的系统。其核心功能是选择性地通过某些频率成分的信号，同时抑制或衰减其他频率成分。

数字滤波器的性能（如截止频率、衰减率）由算法参数决定，不受温度、湿度、电源电压等环境因素的影响。通过数字运算可以精确控制精度（例如通过调整系数可以达到0.1Hz级别的频率精度）。无需更换硬件，只需修改算法参数（如滤波器阶数、系数）即可改变滤波器特性（例如同一硬件平台可通过软件切换低通、高通、带通等模式）。可以在同一个系统中实现多种过滤功能。通过分时处理或并行计算，可以针对不同的信号采用不同的滤波策略，以适应复杂的场景（例如在通信系统中同时处理多个频段的信号）。

03.不同种类滤波器的特地及应用基于上述，滤波器可以分为两类：射频无源滤波器和数字滤波器。特点和适用场景明显不同。腔体滤波器具有极高的Q值和大功率容量，适用于5G基站、雷达等大功率场景，但价格昂贵且体积相对较大。 SAW滤波器性价比适中，多用于中低端消费电子，但在高频环境下Q值会明显衰减。 BAW滤波器专注于1.5-10GHz的高频频段，比SAW具有更好的Q值和温度稳定性。它们是高端5G终端的核心射频器件，成本相对较高。

LTCC滤波器依靠低温共烧陶瓷技术，集成度高，尺寸小。 Q值范围为300-1000，频段覆盖0.1-6GHz。它适用于Wi-Fi和蓝牙等小型化无线设备。成本介于陶瓷和SAW之间。 LC滤波器成本最低，Q值较低，仅适用于简单的民用电子产品； FIR 它是一种没有硬件频率限制的数字滤波器。它依靠算法来实现过滤。无需额外的硬件成本，稳定性强。多用于数字基带、音频等信号处理领域。

表3. 滤波器特性汇总（向右滑动查看）

罗德与施瓦茨的业务涵盖测试与测量、技术系统、网络和网络安全，致力于创造一个更加安全、互联的世界。 90 多年来，全球技术集团罗德与施瓦茨一直通过开发尖端技术来突破技术界限。公司领先的产品和解决方案为多个行业的客户赋能，帮助他们获得数字技术领先地位。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑。作为一家私营公司，该公司在全球范围内独立、长期、可持续地运营。