详细解析滤波器的定义，滤波器的特性，滤波器的工作原理，滤波器的分类，滤波器的典型电路原理图

        滤波器的定义

          凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器，相当于频率“筛子”。滤波器的基础是谐振电路，只要能构成谐振电路组合就可实现滤波器。滤波器有4种基本原型，即低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和高通滤波器。实现滤波器就是实现相应的谐振系统。电感、电容形成的滤波器，称为集总参数滤波器；各种射频/微波传输线形成的谐振器，称为分布参数滤波器。理论上，滤波器是无耗组件。

　　考虑图 10-1 所示的双端口网络，设从一个端口输入具有均匀功率谱的信号，信号通过网络后，在另一端的负载上吸收的功率谱不再是均匀的，也就是说，网络具有频率选择性，这便是一个滤波器。

　　

　　式中， 和 分别为输出端接匹配负载时，滤波器输入功率和负载吸收功率。式（10-1）仅表示某个频率的衰减。随着频率的不同，其数值不同。

　　为了描述衰减特性与频率的相关性，通常用数学多项式来逼近滤波器特性。最平坦型用巴特沃斯（Butterworth）多项式，等波纹型用切比雪夫（Tchebeshev）多项式，陡峭型用椭圆函数（Elliptic），等延时用高斯（Gaussian）多项式。等波纹型切比雪夫滤波器的设计比较简单，应用比较广泛，该滤波器为本章设计及仿真的重点。

　  滤波器的工作原理

　　滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。

　　1）3dB带宽 由通带最小插入损耗点（通带传输特性的最高点）向下移3dB时所测的通带宽度。

　　2）插入损耗 由于滤波器的介入，在系统内引入的损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有组件的电阻性损耗（如电感、电容、导体、介质的不理想）和滤波器的回波损耗（两端电压驻波比不为1）。插入损耗限定了工作频率，也限定了使用场合的两端阻抗。

　　3）带内纹波 插入损耗的波动范围。带内纹波越小越好，否则会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏。

　　4）带外抑制 规定滤波器在什么频率上会阻断信号，是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述，即规定滤波器通带外每频率下降的分贝数。滤波器的寄生通带损耗越大越好，也就是谐振电路的二次、三次等高次谐振峰越低越好。

　　5）承受功率 在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计，组件体积要大，否则会击穿打火，发射功率急剧下降。

　　2．切比雪夫滤波器低通原型

　　已知滤波器带边衰减与波纹指标为LAr，归一化频率Ωc=1，截止衰减为LAs，归一化截止频率为Ωs，电路结构如图10-2所示。

　　

　　

　　切比雪夫低通原型滤波器的设计，就是根据技术指标计算各参数值，按照基本电路结构进行设计。

　 滤波器的技术特性

　　由低通原型滤波器经过频率变换，可得到低通、高通、带通和带阻4种实用滤波器。设阻抗因子为

　　

　　1）低通变换 低通原型滤波器向低通滤波器的变换关系如图10-3所示。

　　

　　2）高通变换 低通原型滤波器向高通滤波器的变换关系如图10-4所示。

　　3）带通变换 低通原型滤波器向带通滤波器的变换关系如图10-5所示。

　　

　　4）带阻变换 低通原型滤波器向带阻滤波器的变换关系如图10-6所示。

　　

　  滤波器的主要分类

　　按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

　　按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

　　低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；

　　高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；

　　带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声；

　　带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

　　按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

　　无源滤波器：仅由无源元件组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。

　　有源滤波器：由无源元件和有源器件组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽；缺点是：通带范围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。

　　根据滤波器的安放位置不同，一般分为板上滤波器和面板滤波器。

　　板上滤波器安装在线路板上，如PLB、JLB系列滤波器。这种滤波器的优点是经济，缺点是高频滤波效果欠佳。其主要原因是：

　　1、滤波器的输入与输出之间没有隔离，容易发生耦合；

　　2、滤波器的接地阻抗不是很低，削弱了高频旁路效果；

　　3、滤波器与机箱之间的一段连线会产生两种不良作用： 一个是机箱内部空间的电磁干扰会直接感应到这段线上，沿着电缆传出机箱，借助电缆辐射，使滤波器失效；另一个是外界干扰在被板上滤波器滤波之前，借助这段线产生辐射，或直接与线路板上的电路发生耦合，造成敏感度问题；

　　滤波阵列板、滤波连接器等面板滤波器一般都直接安装在屏蔽机箱的金属面板上。由于直接安装在金属面板上，滤波器的输入与输出之间完全隔离，接地良好，电缆上的干扰在机箱端口上被滤除，因此滤波效果相当理想

　　

     滤波器的经典设计

　　一、无差拍 SVPWM 的有源滤波器设计

　　有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）作为一种用于动态抑制谐波的电力电子装置，其能够同时补偿多次谐波电流，能实时控制、自动跟踪非线性电流并加以控制，有较快的动态 响应速度，且具有改善三相不平衡度的优点。对于有源滤波器谐波电流检测与补偿电流的发生是其极为关键的技术。

　　有源电力滤波器的电流控制一般采用 PWM（PulseWidth Modulation）模式，目前常用的 PWM控制方式有滞环电流控制（Current Follow Pulse Width Modulation，CFPWM）、三角波电流控制（ΔPulse Width Modulation，ΔPWM） 和 电 压 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 （Space Vector PulseWidthModulation，SVPWM）三种技术。对于 SVPWM 其控制方法的优点主要在于：提高逆变器直流侧电压的利用率，减小开关器件的开关频率以及减少谐波成分，而且此方法更易实现数字化。因此，逆变电路控制常采 用此种方法。在 APF 的应用中，SVPWM 常与滞环比较，PI调节器以及无差拍等结合应用。本文采用无差拍 SVP-WM 控制策略，对 APF 的电流进行补偿控制，以获得较好的动态补偿效果。

　　1 电力有源滤波器谐波检测方法

　　有源滤波器的谐波电流检测方法由时域和频域检测法构成。时域检测法主要分为：有功电流分离法和基于瞬时无功功率原理的 p-q 法，ip-iq 法以及 d-q 法等。频域检测法主要有 FFT法和谐波滤波器法等。

　　对于本文研究主要是采用 ip-iq 法来对电力有源滤波器进行分析研究，由图1可看出其原理。图中虚线框内为直流侧电压反馈控制部分，正余弦信号 sin ωt 和-cos ωt 由锁相环 PLL 发生电路产生。其中 sin ωt 与 a 相输入电压 ua 同相;逆变电路直流侧电压的给定值为 Ucr，Ucf 是反馈值，将这两路信号之差经过 PI 调节器进行调节，所得到的Δip 叠加到瞬时有功电流的直流分量中，经过运算得出指令电流 ih 中所含基波有功电流，从而令 APF 直流侧与交流侧进行能量互换，从而将 Uc 调整到给定值。对于电力有源滤波器而言，滤波器逆变器直流侧信号与交流侧信号的 能量交换是本文研究的关键。

　　

　　2 无差拍控制简介

　　SVPWM 控制是用指令电流 ic*（k） 代替补偿电流 ic*（k+1）使 k 时刻的补偿电流在 k+1时刻完全跟踪上指令电流，但这样会存在一拍的滞后。而基于 SVPWM 的无差拍控制则在 k 时刻预测出 k+1时刻的指令电流值，并以此代替补偿电流，最后通过 SVPWM 控制算法产生PWM 脉冲信号以控制变流器开关器件的通断，从而使每一时刻输出的补偿电流等于其指令电流，实现了实时控制。无差拍 SVPWM 的控制原理如图2所示。

　　

　　二、LTCC 低通滤波器的设计

　　LTCC 滤波器的设计通常是基于经典滤波器设计理论，从结构上讲，主要有两种结构，一种是采用传统的 LC 谐振单元结构，谐振单元由集总参数的电容电 感组成，另一种是采用多层耦合带状线结构。本文所设计的低通滤波器采用第一种集总参数形式，理想化低通滤波器电路原理图如图3所示。

　　

　　本文设计的LTCC滤波器中的集总参数的电容和电感通过 LTCC多层陶瓷集成在陶瓷基板内部。LTCC 内埋植电容的设计一般采用两种方式：垂直交指 型（VIC）电容和金属-介质-金属（MIM）电容。本文设计的滤波器的内埋置电容元件采用垂直交指型（VIC）电容，在相同电容量的情况下，VIC 结构电容相比 MIM 结构电容能够大大减小端电极面积，从而有效减小滤波器尺寸。

　　

　　LTCC 内埋电感有平面螺旋电感、堆栈螺旋电感、多层螺旋电感等方式，如图 3所示，本文设计的低通滤波器内埋植电感元件采用多层螺旋结构的电感，在相同的有效电感值下此结构比平面螺旋式、堆栈螺旋式等结构具有更高的自谐振频率和品质因子。