? ? ? ? 濾波器的定義

? ? ? ? ? 凡是可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)都稱之為濾波器，相當(dāng)于頻率“篩子”。濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路，只要能構(gòu)成諧振電路組合就可實(shí)現(xiàn)濾波器。濾波器有4種基本原型，即低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和高通濾波器。實(shí)現(xiàn)濾波器就是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的諧振系統(tǒng)。電感、電容形成的濾波器，稱為集總參數(shù)濾波器；各種射頻/微波傳輸線形成的諧振器，稱為分布參數(shù)濾波器。理論上，濾波器是無耗組件。

　　考慮圖 10-1 所示的雙端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)從一個(gè)端口輸入具有均勻功率譜的信號(hào)，信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)后，在另一端的負(fù)載上吸收的功率譜不再是均勻的，也就是說，網(wǎng)絡(luò)具有頻率選擇性，這便是一個(gè)濾波器。

　　式中， 和 分別為輸出端接匹配負(fù)載時(shí)，濾波器輸入功率和負(fù)載吸收功率。式（10-1）僅表示某個(gè)頻率的衰減。隨著頻率的不同，其數(shù)值不同。

　　為了描述衰減特性與頻率的相關(guān)性，通常用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來逼近濾波器特性。最平坦型用巴特沃斯（Butterworth）多項(xiàng)式，等波紋型用切比雪夫（Tchebeshev）多項(xiàng)式，陡峭型用橢圓函數(shù)（Elliptic），等延時(shí)用高斯（Gaussian）多項(xiàng)式。等波紋型切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛，該濾波器為本章設(shè)計(jì)及仿真的重點(diǎn)。

　 ?濾波器的工作原理

　　濾波器的指標(biāo)形象地描述了濾波器的頻率響應(yīng)特性。

　　1）3dB帶寬 由通帶最小插入損耗點(diǎn)（通帶傳輸特性的最高點(diǎn)）向下移3dB時(shí)所測(cè)的通帶寬度。

　　2）插入損耗 由于濾波器的介入，在系統(tǒng)內(nèi)引入的損耗。濾波器通帶內(nèi)的最大損耗包括構(gòu)成濾波器的所有組件的電阻性損耗（如電感、電容、導(dǎo)體、介質(zhì)的不理想）和濾波器的回波損耗（兩端電壓駐波比不為1）。插入損耗限定了工作頻率，也限定了使用場(chǎng)合的兩端阻抗。

　　3）帶內(nèi)紋波 插入損耗的波動(dòng)范圍。帶內(nèi)紋波越小越好，否則會(huì)增加通過濾波器的不同頻率信號(hào)的功率起伏。

　　4）帶外抑制 規(guī)定濾波器在什么頻率上會(huì)阻斷信號(hào)，是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。也可用帶外滾降來描述，即規(guī)定濾波器通帶外每頻率下降的分貝數(shù)。濾波器的寄生通帶損耗越大越好，也就是諧振電路的二次、三次等高次諧振峰越低越好。

　　5）承受功率 在大功率發(fā)射機(jī)末端使用的濾波器要按大功率設(shè)計(jì)，組件體積要大，否則會(huì)擊穿打火，發(fā)射功率急劇下降。

　　2．切比雪夫?yàn)V波器低通原型

　　已知濾波器帶邊衰減與波紋指標(biāo)為L(zhǎng)Ar，歸一化頻率Ωc=1，截止衰減為L(zhǎng)As，歸一化截止頻率為Ωs，電路結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。

　　切比雪夫低通原型濾波器的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算各參數(shù)值，按照基本電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　 濾波器的技術(shù)特性

　　由低通原型濾波器經(jīng)過頻率變換，可得到低通、高通、帶通和帶阻4種實(shí)用濾波器。設(shè)阻抗因子為

　　1）低通變換 低通原型濾波器向低通濾波器的變換關(guān)系如圖10-3所示。

　　2）高通變換 低通原型濾波器向高通濾波器的變換關(guān)系如圖10-4所示。

　　3）帶通變換 低通原型濾波器向帶通濾波器的變換關(guān)系如圖10-5所示。

　　4）帶阻變換 低通原型濾波器向帶阻濾波器的變換關(guān)系如圖10-6所示。

　 ?濾波器的主要分類

　　按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。

　　按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。

　　低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；

　　高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；

　　帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲；

　　帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。

　　按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

　　無源濾波器：僅由無源元件組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

　　有源濾波器：由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。

　　根據(jù)濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。

　　板上濾波器安裝在線路板上，如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是高頻濾波效果欠佳。其主要原因是：

　　1、濾波器的輸入與輸出之間沒有隔離，容易發(fā)生耦合；

　　2、濾波器的接地阻抗不是很低，削弱了高頻旁路效果；

　　3、濾波器與機(jī)箱之間的一段連線會(huì)產(chǎn)生兩種不良作用： 一個(gè)是機(jī)箱內(nèi)部空間的電磁干擾會(huì)直接感應(yīng)到這段線上，沿著電纜傳出機(jī)箱，借助電纜輻射，使濾波器失效；另一個(gè)是外界干擾在被板上濾波器濾波之前，借助這段線產(chǎn)生輻射，或直接與線路板上的電路發(fā)生耦合，造成敏感度問題；

　　濾波陣列板、濾波連接器等面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機(jī)箱的金屬面板上。由于直接安裝在金屬面板上，濾波器的輸入與輸出之間完全隔離，接地良好，電纜上的干擾在機(jī)箱端口上被濾除，因此濾波效果相當(dāng)理想

? ? ?濾波器的經(jīng)典設(shè)計(jì)

　　一、無差拍 SVPWM 的有源濾波器設(shè)計(jì)

　　有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有源濾波器諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)償電流的發(fā)生是其極為關(guān)鍵的技術(shù)。

　　有源電力濾波器的電流控制一般采用 PWM（PulseWidth Modulation）模式，目前常用的 PWM控制方式有滯環(huán)電流控制（Current Follow Pulse Width Modulation，CFPWM）、三角波電流控制（ΔPulse Width Modulation，ΔPWM） 和 電 壓 空 間 矢 量 脈 寬 調(diào) 制 （Space Vector PulseWidthModulation，SVPWM）三種技術(shù)。對(duì)于 SVPWM 其控制方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高逆變器直流側(cè)電壓的利用率，減小開關(guān)器件的開關(guān)頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。因此，逆變電路控制常采 用此種方法。在 APF 的應(yīng)用中，SVPWM 常與滯環(huán)比較，PI調(diào)節(jié)器以及無差拍等結(jié)合應(yīng)用。本文采用無差拍 SVP-WM 控制策略，對(duì) APF 的電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，以獲得較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

　　1 電力有源濾波器諧波檢測(cè)方法

　　有源濾波器的諧波電流檢測(cè)方法由時(shí)域和頻域檢測(cè)法構(gòu)成。時(shí)域檢測(cè)法主要分為：有功電流分離法和基于瞬時(shí)無功功率原理的 p-q 法，ip-iq 法以及 d-q 法等。頻域檢測(cè)法主要有 FFT法和諧波濾波器法等。

　　對(duì)于本文研究主要是采用 ip-iq 法來對(duì)電力有源濾波器進(jìn)行分析研究，由圖1可看出其原理。圖中虛線框內(nèi)為直流側(cè)電壓反饋控制部分，正余弦信號(hào) sin ωt 和-cos ωt 由鎖相環(huán) PLL 發(fā)生電路產(chǎn)生。其中 sin ωt 與 a 相輸入電壓 ua 同相;逆變電路直流側(cè)電壓的給定值為 Ucr，Ucf 是反饋值，將這兩路信號(hào)之差經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所得到的Δip 疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量中，經(jīng)過運(yùn)算得出指令電流 ih 中所含基波有功電流，從而令 APF 直流側(cè)與交流側(cè)進(jìn)行能量互換，從而將 Uc 調(diào)整到給定值。對(duì)于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側(cè)信號(hào)與交流側(cè)信號(hào)的 能量交換是本文研究的關(guān)鍵。

　　2 無差拍控制簡(jiǎn)介

　　SVPWM 控制是用指令電流 ic*（k） 代替補(bǔ)償電流 ic*（k+1）使 k 時(shí)刻的補(bǔ)償電流在 k+1時(shí)刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會(huì)存在一拍的滯后。而基于 SVPWM 的無差拍控制則在 k 時(shí)刻預(yù)測(cè)出 k+1時(shí)刻的指令電流值，并以此代替補(bǔ)償電流，最后通過 SVPWM 控制算法產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)以控制變流器開關(guān)器件的通斷，從而使每一時(shí)刻輸出的補(bǔ)償電流等于其指令電流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。無差拍 SVPWM 的控制原理如圖2所示。

　　二、LTCC 低通濾波器的設(shè)計(jì)

　　LTCC 濾波器的設(shè)計(jì)通常是基于經(jīng)典濾波器設(shè)計(jì)理論，從結(jié)構(gòu)上講，主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用傳統(tǒng)的 LC 諧振單元結(jié)構(gòu)，諧振單元由集總參數(shù)的電容電 感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器采用第一種集總參數(shù)形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖3所示。

　　本文設(shè)計(jì)的LTCC濾波器中的集總參數(shù)的電容和電感通過 LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內(nèi)部。LTCC 內(nèi)埋植電容的設(shè)計(jì)一般采用兩種方式：垂直交指 型（VIC）電容和金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）電容。本文設(shè)計(jì)的濾波器的內(nèi)埋置電容元件采用垂直交指型（VIC）電容，在相同電容量的情況下，VIC 結(jié)構(gòu)電容相比 MIM 結(jié)構(gòu)電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。

　　LTCC 內(nèi)埋電感有平面螺旋電感、堆棧螺旋電感、多層螺旋電感等方式，如圖 3所示，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器內(nèi)埋植電感元件采用多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，在相同的有效電感值下此結(jié)構(gòu)比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結(jié)構(gòu)具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子。