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Conoscenza di base dei filtri
21 Jun 2023

Il filtro di linea è un circuito di filtro composto da capacità, induttanza e resistenza. Un filtro può filtrare efficacemente un punto di frequenza specifico nella linea elettrica o le frequenze al di fuori di quel punto di frequenza, ottenendo un segnale di potenza di frequenza specifica o eliminando un segnale di potenza di frequenza specifica.


Un filtro, come suggerisce il nome, è un dispositivo che filtra le onde. Onda "è un concetto fisico molto ampio e, nel campo della tecnologia elettronica," onda "è strettamente limitato alla descrizione del processo di variazione dei valori di varie quantità fisiche nel tempo. Questo processo viene convertito in una funzione temporale della tensione o della corrente attraverso l'azione di vari sensori, nota come forma d'onda temporale di varie grandezze fisiche, o come segnale. Poiché la variabile indipendente "tempo" è un valore continuo, è chiamato segnale temporale continuo, anche comunemente indicato come segnale analogico Con l'emergere e il rapido sviluppo della tecnologia dei computer elettronici digitali (comunemente indicati come computer), al fine di facilitare l'elaborazione informatica dei segnali, è emersa una teoria e un metodo completi per trasformare i segnali a tempo continuo in segnali a tempo discreto sotto la guida del teorema del campionamento. Vale a dire, il segnale analogico originale può essere espresso utilizzando solo i valori campione del segnale analogico originale su una serie di punti di coordinate temporali discreti senza perdere alcuna informazione. Poiché i concetti di onda, forma d'onda e segnale esprimono cambiamenti in varie quantità fisiche nel mondo oggettivo, sono naturalmente portatori di varie informazioni su cui la società moderna fa affidamento per sopravvivere.


Le informazioni devono essere trasmesse attraverso la trasmissione di segnali di forme d'onda. Il segnale può subire distorsioni in ogni fase della sua generazione, conversione e trasmissione a causa della presenza di ambiente e interferenze. In molti casi, questa distorsione è persino grave, con il risultato che il segnale e le informazioni che trasporta sono profondamente sepolti nel rumore.
Il filtro è uno dei componenti chiave essenziali nei sistemi RF, utilizzato principalmente per la selezione della frequenza, consentendo il passaggio del segnale di frequenza desiderato e la riflessione di segnali di frequenza di interferenza indesiderati.
Un classico esempio di applicazione del filtro è il front-end del ricevitore o del trasmettitore, come mostrato nella figura:

Dalla figura si può vedere che i filtri sono ampiamente utilizzati nelle parti RF, IF e in banda base dei ricevitori. Sebbene i filtri digitali siano stati utilizzati per sostituire i filtri analogici nella banda base o anche parti a frequenza intermedia dello sviluppo della tecnologia digitale, i filtri nella parte RF sono ancora insostituibili. Pertanto, i filtri sono uno dei componenti chiave essenziali nei sistemi RF.


Esistono molti metodi per classificare i filtri.
Per esempio:
Le caratteristiche selezionate per frequenza possono essere suddivise in: passa-basso, passa-alto, passa-banda, filtro Band-stop, ecc; in base alle diverse funzioni di risposta in frequenza, può essere suddiviso in: Chebyshev, Chebyshev generalizzato, Butterworth, Gauss, Funzione di Bessel, funzione ellittica, ecc.
It can be divided into LC filter, SAW/BAW filter, spiral filter, dielectric filter, cavity filter, High-temperature superconductivity filter and plane structure filter according to the implementation mode.


For different filter classifications, the main approach is to describe the different characteristics of filters based on their specific requirements.

The numerous classification methods of filters describe the diverse features of filters, which collectively reflect the need for comprehensive consideration of filter requirements in practical engineering applications. That is to say, when designing for user needs, it is necessary to comprehensively consider user needs.
When selecting a filter, the first thing to determine is whether to use low-pass, high-pass, bandpass, or bandstop filters.


Below, we will first introduce the frequency response characteristics and their effects of high pass, low pass, bandpass, and bandstop, which are classified according to the characteristics selected by frequency.



The most commonly used filters are low-pass and bandpass. Low pass is widely used in image suppression in the mixer section and harmonic suppression in the frequency source section.

Bandpass is widely used in signal selection at the front end of the receiver, suppression of post amplifier noise in the transmitter, and suppression of frequency source noise.
Filters are widely used in microwave and radio frequency systems, and as a functional component, there must be corresponding electrical performance indicators to describe the performance requirements of the system for this component.
Corresponding to different application scenarios, there are different requirements for certain electrical performance characteristics of filters. The technical indicators describing the electrical performance of filters include: order (series), absolute bandwidth/relative bandwidth, cutoff frequency, standing wave, out of band suppression, ripple, loss, passband flatness, phase linearity, absolute group delay, group delay fluctuation, power capacity, phase consistency, amplitude consistency, and operating temperature range.


The following will explain the electrical performance indicators of the filter one by one.

Order (series): For high pass and low pass filters, order is the sum of the number of capacitors and inductors in the filter. For bandpass filters, the order is the total number of parallel resonators; For Band-stop filter, the order is the total number of series resonators and parallel
resonators.


Absolute bandwidth/relative bandwidth: This indicator is usually used for bandpass filters, characterizing the signal frequency range that can pass through the filter and reflecting the frequency selection of the filter. Relative bandwidth is the percentage of absolute bandwidth to center frequency.




Cutoff frequency: Cutoff frequency is usually used for high pass and low pass filters. For low-pass filters, the cutoff characterizes the highest frequency range that the filter can pass through; For high pass filters, the cutoff frequency represents the lowest frequency range that the filter can pass through.


Standing wave: The S11 measured by the vector network represents the degree of matching between the filter port impedance and the required impedance of the system. Indicates how many input signals fail to enter the filter and are reflected back to the input end.



Loss: Loss represents the energy lost by a signal after passing through a filter, which is the energy consumed by the filter.


Passband flatness: The absolute value of the difference between the maximum loss and the minimum loss within the passband range of the filter. Characterize the difference in energy consumption of filters for signals of different frequencies.


Out of band suppression: The "attenuation" beyond the passband frequency range of the filter. Characterize the filter's ability to select unwanted frequency signals.Ripple: The difference between the peaks and valleys of the S21 curve fluctuation within the passband of the filter.


Phase linearity: The phase difference between the phase within the passband frequency range of the filter and a transmission line with a delay equal to the center frequency. Characterize the dispersion characteristics of filters.


Ritardo di gruppo assoluto: il tempo impiegato per la trasmissione di un segnale dalla porta di ingresso alla porta di uscita all'interno dell'intervallo di banda passante del filtro.


Fluttuazione del ritardo di gruppo: la differenza tra il ritardo di gruppo assoluto massimo e minimo all'interno dell'intervallo della banda passante del filtro. Caratterizzare le caratteristiche di dispersione dei filtri.


Capacità di potenza: la potenza massima del segnale in banda passante che può essere immessa nel filtro. Coerenza di fase: la differenza di fase dei segnali di trasmissione tra diversi filtri nello stesso lotto e lo stesso indicatore. Caratterizza le differenze (coerenza) tra i filtri batch.


Consistenza dell'ampiezza: la differenza nella perdita del segnale di trasmissione tra diversi filtri nello stesso batch e lo stesso indicatore. Caratterizza le differenze (coerenza) tra i filtri batch.


Linearità di fase: la differenza di fase tra la fase all'interno dell'intervallo di frequenza della banda passante del filtro e una linea di trasmissione con un ritardo pari alla frequenza centrale. Caratterizzare le caratteristiche di dispersione dei filtri.


Ritardo di gruppo assoluto: il tempo impiegato per la trasmissione di un segnale dalla porta di ingresso alla porta di uscita all'interno dell'intervallo di banda passante del filtro.


Fluttuazione del ritardo di gruppo: la differenza tra il ritardo di gruppo assoluto massimo e minimo all'interno dell'intervallo della banda passante del filtro. Caratterizzare le caratteristiche di dispersione dei filtri.


Capacità di potenza: la potenza massima del segnale in banda passante che può essere immessa nel filtro.


Coerenza di fase: la differenza di fase dei segnali di trasmissione tra diversi filtri nello stesso lotto e lo stesso indicatore. Caratterizza le differenze (coerenza) tra i filtri batch.


Consistenza dell'ampiezza: la differenza nella perdita del segnale di trasmissione tra diversi filtri nello stesso batch e lo stesso indicatore. Caratterizza le differenze (coerenza) tra i filtri batch.

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