信號發(fā)生器中使用的無源濾波器主要用于對輸出信號進行頻率選擇、諧波抑制或噪聲濾除，其核心特點是僅由無源元件（電阻R、電感L、電容C）構(gòu)成，無需外部電源。根據(jù)頻率響應(yīng)特性，無源濾波器可分為以下主要類型，每種類型在信號發(fā)生器中有不同的應(yīng)用場景：

一、按頻率響應(yīng)特性分類

1. 低通濾波器（Low Pass Filter, LPF）

• 功能：允許低頻信號通過，抑制高頻信號（包括諧波和噪聲）。
• 典型應(yīng)用：
  • 信號發(fā)生器輸出基帶信號時，濾除高頻諧波（如方波轉(zhuǎn)正弦波）。
  • 在射頻信號發(fā)生器中，抑制本振（LO）泄漏或鏡像頻率。
• 電路結(jié)構(gòu)：
  • 一階LPF：由單個電阻和電容組成（RC濾波器），截止頻率 fc=2πRC1。
  • 高階LPF：如巴特沃斯（Butterworth）或切比雪夫（Chebyshev）濾波器，通過多級LC或RLC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)更陡峭的滾降特性。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出1 MHz正弦波時，使用LPF濾除10 MHz以上的諧波。

2. 高通濾波器（High Pass Filter, HPF）

• 功能：允許高頻信號通過，抑制低頻信號（如直流偏移或低頻噪聲）。
• 典型應(yīng)用：
  • 信號發(fā)生器輸出高頻調(diào)制信號時，去除直流分量。
  • 在通信測試中，分離高頻載波與低頻基帶信號。
• 電路結(jié)構(gòu)：
  • 一階HPF：由單個電容和電阻組成（CR濾波器），截止頻率 fc=2πRC1。
  • 高階HPF：通過LC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，如π型濾波器（兩個電容夾一個電感）。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出100 MHz射頻信號時，使用HPF濾除0-1 MHz的低頻噪聲。

3. 帶通濾波器（Band Pass Filter, BPF）

• 功能：允許特定頻段信號通過，抑制頻段外信號（如鄰道干擾或雜散輻射）。
• 典型應(yīng)用：
  • 信號發(fā)生器生成窄帶信號（如QPSK調(diào)制信號）時，選擇目標(biāo)頻帶。
  • 在頻譜分析儀配套使用中，提取特定頻率成分。
• 電路結(jié)構(gòu)：
  • LC帶通濾波器：由串聯(lián)LC諧振回路和并聯(lián)LC回路組合而成，中心頻率 f0=2πLC1。
  • 晶體帶通濾波器：利用石英晶體的壓電效應(yīng)實現(xiàn)高選擇性，常用于高頻信號發(fā)生器（如10 MHz參考時鐘）。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出2.4 GHz Wi-Fi信號時，使用BPF抑制2.3 GHz和2.5 GHz的鄰道干擾。

4. 帶阻濾波器（Band Stop Filter, BSF）或陷波濾波器（Notch Filter）

• 功能：抑制特定頻段信號，允許其他頻率通過（如消除特定干擾或諧波）。
• 典型應(yīng)用：
  • 信號發(fā)生器輸出中存在50 Hz工頻干擾時，使用BSF濾除該頻率。
  • 在射頻信號發(fā)生器中，抑制鏡像頻率或雜散輻射。
• 電路結(jié)構(gòu)：
  • LC并聯(lián)諧振BSF：在目標(biāo)頻率處呈現(xiàn)高阻抗，形成陷波點。
  • 雙T型網(wǎng)絡(luò)BSF：由電阻和電容組成，適用于低頻陷波（如音頻信號處理）。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出1 GHz信號時，使用BSF抑制950 MHz的鏡像頻率。

二、按實現(xiàn)方式分類

1. 集總參數(shù)濾波器

• 特點：由分立元件（電阻、電感、電容）構(gòu)成，適用于低頻（<1 GHz）應(yīng)用。
• 優(yōu)勢：成本低、設(shè)計靈活、易于調(diào)試。
• 局限：高頻時電感寄生參數(shù)（如分布電容）會影響性能。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出音頻信號（20 Hz-20 kHz）時，使用RC或RLC濾波器。

2. 分布參數(shù)濾波器

• 特點：利用傳輸線（如微帶線、波導(dǎo)）的分布參數(shù)效應(yīng)實現(xiàn)濾波，適用于高頻（>1 GHz）應(yīng)用。
• 類型：
  • 微帶線濾波器：在印刷電路板（PCB）上蝕刻微帶線，通過調(diào)整線寬和間距實現(xiàn)濾波。
  • 波導(dǎo)濾波器：利用金屬波導(dǎo)的諧振特性，適用于毫米波頻段（如30 GHz-300 GHz）。
• 優(yōu)勢：高頻性能好、插入損耗低、功率容量大。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出28 GHz 5G信號時，使用波導(dǎo)帶通濾波器。

3. 晶體濾波器

• 特點：利用石英晶體或壓電陶瓷的機械諧振特性，實現(xiàn)高選擇性濾波。
• 類型：
  • 單晶體濾波器：中心頻率由晶體固有頻率決定（如10 MHz晶體濾波器）。
  • 晶體階梯濾波器：由多個晶體串聯(lián)或并聯(lián)組成，擴展帶寬。
• 優(yōu)勢：Q值高（>10,000）、溫度穩(wěn)定性好。
• 局限：頻率固定、成本較高。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出10 MHz參考時鐘時，使用晶體濾波器抑制諧波。

4. 聲表面波（SAW）濾波器

• 特點：在壓電基片上制作叉指換能器（IDT），利用聲表面波傳播實現(xiàn)濾波。
• 優(yōu)勢：體積小、重量輕、可集成化，適用于移動通信頻段（如800 MHz-2.5 GHz）。
• 局限：功率容量較低（通常<1 W）。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出GSM 900信號時，使用SAW濾波器抑制鄰道干擾。

三、按濾波器階數(shù)分類

1. 一階濾波器

• 特點：由單個R、L、C元件組成，滾降特性較平緩（20 dB/十倍頻程）。
• 應(yīng)用：對濾波要求不高的場景（如簡單去耦或直流隔離）。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出直流偏置信號時，使用一階RC高通濾波器去除直流分量。

2. 高階濾波器

• 特點：由多級R、L、C元件組成，滾降特性更陡峭（如40 dB/十倍頻程、60 dB/十倍頻程）。
• 類型：
  • 巴特沃斯濾波器：通帶內(nèi)平坦，適用于對幅度失真敏感的場景。
  • 切比雪夫濾波器：通帶內(nèi)有紋波，但滾降更快，適用于對過渡帶要求高的場景。
  • 橢圓濾波器：通帶和阻帶均有紋波，但滾降最陡峭，適用于高頻選擇性濾波。
• 示例：
  • 信號發(fā)生器輸出100 MHz窄帶信號時，使用四階巴特沃斯帶通濾波器。

四、實際應(yīng)用案例

案例1：信號發(fā)生器輸出正弦波的諧波抑制

• 需求：生成1 kHz正弦波，要求諧波抑制>60 dB。
• 方案：
  • 使用八階橢圓低通濾波器（截止頻率2 kHz），滾降速率達(dá)160 dB/十倍頻程。
  • 電路結(jié)構(gòu)：四級LC濾波器級聯(lián)，每級采用橢圓濾波器拓?fù)洹?/span>
• 效果：
  • 基波（1 kHz）幅度：0 dBm
  • 三次諧波（3 kHz）幅度：<-60 dBm

案例2：信號發(fā)生器輸出射頻脈沖的雜散抑制

• 需求：生成1 GHz脈沖信號，要求雜散抑制>50 dBc（相對于載波）。
• 方案：
  • 使用波導(dǎo)帶通濾波器（中心頻率1 GHz，帶寬100 MHz）。
  • 濾波器結(jié)構(gòu)：多模波導(dǎo)諧振腔，通過調(diào)整腔體尺寸實現(xiàn)高選擇性。
• 效果：
  • 載波（1 GHz）幅度：0 dBm
  • 鄰道雜散（950 MHz/1.05 GHz）幅度：<-50 dBm

五、總結(jié)

信號發(fā)生器中常用的無源濾波器類型及其特點如下：

選擇建議：

• 低頻應(yīng)用（<1 GHz）：優(yōu)先選擇集總參數(shù)濾波器（如RC、RLC）。
• 高頻應(yīng)用（>1 GHz）：選用分布參數(shù)濾波器（如微帶線、波導(dǎo)）或SAW濾波器。
• 高選擇性需求：采用高階濾波器（如橢圓、切比雪夫）或晶體濾波器。
• 體積限制：SAW濾波器或微型化LC濾波器（如多層陶瓷濾波器）。

通過合理選擇濾波器類型和參數(shù)，可顯著提升信號發(fā)生器的輸出信號質(zhì)量，滿足不同測試場景的需求。