射频接收机是对天线接收的射频信号进行选择、放大、变频和数字化处理后，获得需要信息的电子设备。模拟信道滤波器在射频接收机中起着选择有用信号、抑制无用信号的作用。随着科技的进步，射频接收机系统中的数字部分将会越来越靠近射频前端，即便如此，模拟信道滤波器在接收系统中的作用依然无法被取代。
1 射频接收机系统中模拟信道滤波器的作用
射频接收机作为通信系统的重要组成部分，它的基本性能要求是：低的噪声系数、大的动态范围、高的稳定性和强的抗干扰能力。射频接收机通常由模拟信道和数字电路组成，超外差接收机是射频接收机最常用的一种实现方式。超外差接收机具有非常优秀的性能，自1917年问世以来，一直被广泛的应用于各种通信系统中，超外差接收机的基本结构形式如图1所示。
图1 超外差接收机的基本结构形式
超外差接收机由限幅器、低噪声放大器、预选器、混频器、本振源、中频放大器、中频滤波器、AD转换器和DSP（数字信号处理）组成，根据通信系统的具体要求，结构中还可以加入自动增益控制（AGC）、灵敏度时间增益控制（STC）等功能。当超外差接收机工作在宽频带时，二次变频的超外差接收机能够很好地解决问题。
滤波器是超外差接收机中的常用元件，几乎所有功能电路中都需要用到滤波器；混频器后需要加滤波器滤除多余的混频产物；放大器前加入滤波器可以滤除带外干扰信号，提高动态范围；AD转换之前需要加入抗混叠滤波器保证信号不会混叠；数字信号处理时需要加入FIR滤波器等。模拟信道滤波器主要包含两种：预选器和中频滤波器。预选器在模拟信道中起着选择有用信号、抑制外部干扰信号进入接收机系统的作用，预选器的矩形系数越好，接收机受到的临频干扰也就会越小。中频滤波器直接关系着接收机的频率特性，如果中频滤波器的带宽大于所需要的信号带宽，加大输出的信号噪声比，如果中频滤波器的带宽小于所需的信号带宽，则会损失所需信号的能量。
2 模拟信道滤波器的低通设计原型
作为一种选频装置，根据不同的频率响应特性，模拟信号中的滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种基本类型。滤波器的主要参数包括中心频率、工作带宽、带内插损、矩形系数、带外抑制、通道延时等。
中心频率指滤波器工作频率带宽的中心频率；工作带宽指允许通过的信号频率范围；带内插损反映了信号经过滤波器后的功率损耗；矩形系数指滤波器的阻带带宽与工作带宽的比值；带外抑制反映了滤波器对不需要临频信号的抑制能力；通道延时指通带信号经过滤波器后延迟的时间。
设计滤波器的基础是集总元件参数低通原型滤波器，其余各种低通、高通、带通、带阻滤波器都能够根据这种低通原型特性变换而来。常用的低通滤波原型包括最平坦型、切比雪夫型、椭圆函数型等，其中切比雪夫型低通原型具有较高的带外抑制和相对简洁的结构形式，在微波频段的滤波器中得到了广泛的应用。
图2 电感输入式低通滤波器原型
图2为电感输入式低通滤波器原型的电路接收示意图。此外，还有一种电容输入式低通滤波器原型与电感输入时低通滤波器原型互为对偶形式。通过频率变换的方式可以将低通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，频率变换对照表如表1所示。
3 常用的模拟信道滤波器
目前射频接收机中常用的模拟信道滤波器有很几种：LC滤波器、微带线滤波器、同轴滤波器、介质滤波器、声表滤波器、波导滤波器等。
3.1 LC滤波器
LC滤波器指使用电容、电感组成，通过对低通滤波原型的频率变换实现的选频器件；在射频雷达接收机中，它的使用非常普遍，主要是因为这种滤波器设计简单，造价低廉。随着工艺技术的不断提高，目前LC滤波器的工作频率可以达到4GHz。LC滤波器可以通过调节绕线电感改变带宽和中心频率。如果需要提高LC滤波器的矩形系数，与此同时也会增加滤波器的带内插损。LC滤波器在设计时，为了减小带内插损，需要选用高Q值的电感；同时，电容的自感量必须小，否者会影响中心频率和通带特性。
设计中，中心频率的提高会导致LC滤波器的元器件值不断减小，所以LC滤波器通常应用在1KHz到1.5GHz的工作频段上，在射频接收机的模拟信道中作为中频滤波器使用。
3.2 微带线滤波器
微带线滤波器指通过高低阻抗变换将微带线光刻为特定的形状，从而实现频率选择特性的滤波器。微带线滤波器的重量小，可靠性高，制造成本低廉，通过改变介质基板的介电常数，可以在很宽的频带上使用，除此之外，微带滤波器易与其他功能电路集成，故在微波混合集成电路中使用较多。
由于微带线滤波器是开放性的场分布，导致了微带谐振器的Q值不高，所以微带线滤波器的插入损耗稍高。
3.3 同轴滤波器
同轴滤波器通过二分之一短路线和四分之一开路线等效的LCR谐振电路来实现，它的结构灵活，按照腔体结构可分为方腔同轴、标准同轴等。同轴滤波器的结构稳定，温度变形系数小，功率容量大，带内插损小，带外抑制度高，特别适合窄带信号的滤波，广泛应用于移动通信领域。但是当用于10GHz的高频信号滤波时，因为信号的波长很小，同轴滤波器的加工精度要求非常高，难于实现且成本太高。
3.4 介质滤波器
介质滤波器又称为“介质谐振器滤波器”，它具有很宽的频率覆盖范围，优点包括功率容量大、插入损耗低、带外抑制高，能做到较高的矩形系数，特别适合作为微波通信和电子系统对抗中的预选器；但是它的体积较大、结构复杂，与其余功能电路集成困难。
介质滤波器由多个介质谐振腔装置在微带基板上组成。这种介质谐振腔具有高介电常数特点，其Q值一般高达500-10000。因为它的品质因数很高，电磁能量绝大部分集中在介质谐振器之内，电磁振荡极易维持下去，所以介质滤波器的带内插损一般都很小。同时介质滤波器的谐振频率不会随着温度的变化而发生改变，从而实现稳定的全温特性。
3.5 声表滤波器
声表滤波器也叫声表面波滤波器，广泛应用于各类无线通信系统的射频前端和中频系统中。声表滤波器是利用压电材料的压电效应和声表面波特性来制作的选频器件，它具有比LC滤波器更小的体积，比介质滤波器更高的频率选择性，它的质量轻、带阻高、一致性好、便于量产。
声表滤波器能够在抑制高次谐波、镜像频率及各类寄生杂波干扰等方面起到很好的作用，能够实现任意精度的幅频和相频滤波特性。
声表滤波器通常作为带通滤波器使用，但它的带外抑制度不高，与其他类型的滤波器相比，它的插入损耗最大、信号延时最高。为了改善声表滤波器的插入损耗，设计师们开发出了高性能的压电材料，目前可以将声表滤波器的插入损耗降到很低的水平。
3.6 波导滤波器
波导滤波器可以看作微带滤波器的一种，它的功率容量很大，Q值很高（10GHz时可以达到6000），带内插损很小，特别适合窄带滤波。波导滤波器的体积较大，难于在1GHz频段以下实现，多应用于1GHz以上微波多工器中。
3.7 其他新兴种类的滤波器
伴随着基础材料的发展，滤波器的形式和种类也越来越多，比如LTCC滤波器，MEMS滤波器，FBRA滤波器等，它们有的还处于刚刚研制阶段，有的性能指标已经超过了原有类型的滤波器。未来射频接收机将越来越小，通信系统的频率资源也越来越紧张，高性能的滤波器也将变得越来越重要。
4 结束语
模拟信道滤波器是射频接收机中使用频率很高的器件之一，它的性能直接关系着射频接收机甚至整个通信系统的性能。在这种情况下，对信道滤波的综合性设计质量予以优化，可以充分提升射频接收机的应用价值。因此，对模拟信道滤波器进行系统分析，并对滤波器的设计措施予以完善，可以为射频接收机综合性应用价值的优化创造足够成熟的基础条件，为模拟信道滤波器的选择和应用提供支持。
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收稿日期：2018-05-24
作者简介：曹晋（1986-），男，四川绵阳人，四川省绵阳市九洲电器集团有限公司工程师，硕士，研究方向：电子系统工程（军事电子工程方向）
