带通滤波器的作用（滤波器和双工器介绍）

　　带通滤波器的作用（滤波器和双工器介绍）
　　滤波器是一个有选择地传递＂它喜欢什么＂和阻止＂它不喜欢什么＂的组件。当我们讨论滤波器的特性时，通常用频域来描述。
　　在大多数情况下，一个滤波器属于下面所示的四种可能的理想类型之一（滤波器可能有一些其他变体，例如，具有多个通频带的滤波器等，但您可以看到的99%以上的滤波器将是以下类型之一）。
　　低通滤波器（Low Pass）是通过低频信号并阻塞高频信号的滤波器。频率应该有多低取决于滤波器的规格。
　　高通滤波器（High Pass）是一种通过高频信号并阻塞低频信号的滤波器。频率应该有多高取决于滤波器的规格。
　　带通滤波器（Band Pass）是一种通过一定频率范围的滤波器，它能屏蔽比特定范围低和高的区域。通过滤波器的频率范围由规范决定。
　　带阻滤波器（Band Reject）是一种除频率范围很窄外，通过大部分频率的滤波器。其他类型滤波器的目的是通过具有一定范围的信号，但是带阻滤波器的目的是阻止信号的选定频率。
　　理想滤波器是如上所示的滤波器。它通过一个特定的信号范围，并开始阻塞该范围旁边的信号。但正实际情况是没有一种设备能像理想的概念那样工作。滤波器也一样。
　　以带通滤波器为例。每个人都想要的理想滤波器是左边显示的那个，但是你永远不会得到这种滤波器。即使在滤波器的理论设计中，您也会看到中间列所示的几种类型，但即使是这种理论滤波器也不如理想滤波器。
　　第一种理论类型在通带区域有一些波动（涟漪），并且相对陡峭地落入阻塞区域（阻带），并且在阻带中没有波动。
　　第二种理论类型既没有通带也没有阻带中的波纹。没有波纹是很好的。但在这种情况下，它会慢慢落入阻塞区。
　　第三种理论类型在通带和阻带都有波纹，这是不好的，但它落入阻带非常陡，这是好的。
　　右栏给出了一些实滤波器的例子，这显然比理论性质差。这些只是几个真正的过滤器…在现实世界中，你会有很多不同类型和特点的过滤器。
　　实现滤波器的方法有很多种，很难列出所有可能的天线实现方法。这里只列出几种我认为在许多领域最常用的实现方法。下面是一些过滤器实现的示例。
　　电气滤波器（Electrical Filter）：这是一种使用基本电气元件（如R/L/C）实现滤波器的方法，我认为这将是最常见和最广泛使用的滤波器类型。根据具体应用，只有单个元件（如单电感或单电容器）可以作为滤波器，在其他一些应用中，您将看到这些元件作为滤波器的非常复杂的组合。
　　声表面波滤波器（SAW Filter：Surface Acoustic Wave Filter）：这是一种将电能转换为声能并应用滤波，然后将滤波后的能量转换回电能的滤波器。这种滤波器的优点是它可以在相对较小的尺寸内实现非常高质量（非常高阶滤波器）。这种类型的缺点是很难处理高功率，并且通常会导致较大的插入损耗。在大多数手机中，你会看到至少一个或两个声表面波滤波器大多在射频阶段。他们过去也在IF级使用SAW滤波器，但现在在大多数手机中，整个IF级都消失了，IF-SAW滤波器也消失了。
　　腔体滤波（Cavity Filter）：当我看到这种类型的滤波器时，我惊讶于这样一个简单的大体积金属物体可以充当滤波器。（内部结构并不像我想象的那么简单，但至少从外观来看，它看起来像一个金属块）。就滤波器特性而言，我不认为它有很高的性能，但它能处理很高的功率，能覆盖的频率范围可以达到极高的频率，与其他类型的滤波器相比，插入损耗通常很小。
　　数字滤波器（Digital Filter）：如你所料，它是一种基于数值算法进行滤波的滤波器。要使用此滤波器，首先必须将输入的模拟信号转换为数字信号，然后处理数字化数据。这种滤波器的优点是可以得到与理论设计几乎相同的滤波器性能。缺点是，由于AD转换器采样率的限制，很难处理高频信号。当然，你可以将高频信号下变频到低频信号，这样你就可以使用数字滤波器，但这意味着你需要额外的电路来进行滤波。另一个缺点是，由于每个数字门组件引起的延迟，会导致相对较长的延迟。
　　不管您要设计什么样的滤波器，基本设计目标都将如下图所示。
　　（1） 陡峭的过渡阶段（Steep Transition Phase ）：您想要实现的第一个也是最重要的特征是过渡阶段尽可能尖锐，如（1）所示。每个人都想改进这个属性，从实线到虚线。通常我们通过增加滤波器的阶数来实现这一目的，但这种阶数的增加会使滤波器变得更大或更复杂。在无源滤波器的情况下，这种阶数的增加也会导致较大的插入损耗。
　　在不增加过大尺寸的情况下，过渡相最陡的滤波器之一是SAW滤波器，但与其它类型的滤波器相比，SAW滤波器的插入损耗相对较大。特别是当声表面波滤波器具有非常尖锐的过渡但插入损耗过大时。
　　（2） 小插入损耗（Small Insertion Loss）：如今不需要，每个人都希望插入损耗尽可能小，但要提高插入损耗是不容易的，特别是当损耗是由滤波器（如SAW滤波器）的材料特性引起时。
　　（3） 相位线性（Phase Linearity）：每个人都想在虚线所示的通带区域具有不改变的或至少是线性的相位特性，但实际上大多数滤波器都会具有波动的，有时甚至更复杂的相位特性。不幸的是，优化相位特性是极其困难的。
　　双工器是一种能够在不相互干扰的情况下将发送路径和接收路径连接到单个或公共天线的设备。当发射机和接收机的频率不同时（FDD），它可以用两个滤波器组合在一起。其中一个滤波器为接收器调谐，另一个为发射器调谐，如下所示。
　　当发射机和接收机的频率相同时（TDD），滤波方法将不起作用。在这种情况下，我们使用循环器，它只能在如下所示的一个方向上传递信号。
　　双工器能为我们带来什么？我们为什么需要双工器？
　　首先思考下信号在传输过程中会发生什么。根据设计，信号的大部分将通过天线，但信号的一小部分将溢出到接收路径。溢出的信号量很小，但可能会对接收路径造成相当严重的干扰，因为接收路径设计用于响应非常低的信号强度。在大多数无线通信中，到达接收路径的信号通常很低。因此，接收器路径的设计应能处理这种微弱信号。由于接收路径的这种特性，即使是从发射机溢出的小信号也可能是非常严重的干扰，甚至在最坏的情况下可能会损坏接收路径。
　　不过，如果放一个双工器如下所示。从发射机溢出的信号无法进入接收器路径，因为它被仅通过接收器频率信号的滤波器阻塞。
　　类似的逻辑也适用于接收信号。如果没有双工器，则接收信号的一小部分可能溢出到发射机路径中。由于接收到的信号总量非常微弱，因此不太可能损坏发射机路径上的任何东西，通常设计用于处理非常强的信号，但它仍然可能是严重的干扰源。如果沿着发射路径的放大器放大溢出的信号，这种干扰将变得更加严重。
　　同样，如果你有一个双工器，从接收路径溢出的能量不能进入发射机路径，因为它会被只通过发射信号频率的滤波器过滤掉。
　　实际使用的过程中，有很多种类型的双工器，非常小的双工器，如（a），（b），（c），通常是SAW，BAW，FBAR为基础，如果你拆开一个移动设备，如你的手机，通常是处理没有那么大的功率。如果你观察一个比移动设备更大并且处理相对高功率的系统，你会看到像（d），（e），（f）这样的双工器，它们直接设计在PCB上或基于腔体滤波器。
　　在某些处理极高功率或要求极低插入损耗的应用中，会看到（g），（h），（i）等双工器。
　　从结构上看，双工器只是两个滤波器的复合体。所以双工器的特性是基于滤波器的特性。在大多数移动通信中，传输频率和接收频率之间的差距并不大。因此，双工器的关键要求之一是如何将相邻的接收频率和发射机频率分开。理想的要求是有非常明显的分离，没有任何重叠，但在现实中，你不能避免一定程度的重叠。