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? ? ? ? 濾波器的定義
? ? ? ? ? 凡是可以使信號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都稱之為濾波器，相當于頻率“篩子”。濾波器的基礎是諧振電路，只要能構成諧振電路組合就可實現濾波器。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。實現濾波器就是實現相應的諧振系統。電感、電容形成的濾波器，稱為集總參數濾波器；各種射頻/微波傳輸線形成的諧振器，稱為分布參數濾波器。理論上，濾波器是無耗組件。
考慮圖 10-1 所示的雙端口網絡，設從一個端口輸入具有均勻功率譜的信號，信號通過網絡后，在另一端的負載上吸收的功率譜不再是均勻的，也就是說，網絡具有頻率選擇性，這便是一個濾波器。
式中， 和 分別為輸出端接匹配負載時，濾波器輸入功率和負載吸收功率。式（10-1）僅表示某個頻率的衰減。隨著頻率的不同，其數值不同。
為了描述衰減特性與頻率的相關性，通常用數學多項式來逼近濾波器特性。最平坦型用巴特沃斯（Butterworth）多項式，等波紋型用切比雪夫（Tchebeshev）多項式，陡峭型用橢圓函數（Elliptic），等延時用高斯（Gaussian）多項式。等波紋型切比雪夫濾波器的設計比較簡單，應用比較廣泛，該濾波器為本章設計及仿真的重點。
?濾波器的工作原理
濾波器的指標形象地描述了濾波器的頻率響應特性。
1）3dB帶寬 由通帶最小插入損耗點（通帶傳輸特性的最高點）向下移3dB時所測的通帶寬度。
2）插入損耗 由于濾波器的介入，在系統內引入的損耗。濾波器通帶內的最大損耗包括構成濾波器的所有組件的電阻性損耗（如電感、電容、導體、介質的不理想）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，也限定了使用場合的兩端阻抗。
3）帶內紋波 插入損耗的波動范圍。帶內紋波越小越好，否則會增加通過濾波器的不同頻率信號的功率起伏。
4）帶外抑制 規定濾波器在什么頻率上會阻斷信號，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，即規定濾波器通帶外每頻率下降的分貝數。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 在大功率發射機末端使用的濾波器要按大功率設計，組件體積要大，否則會擊穿打火，發射功率急劇下降。
2．切比雪夫濾波器低通原型
已知濾波器帶邊衰減與波紋指標為LAr，歸一化頻率Ωc=1，截止衰減為LAs，歸一化截止頻率為Ωs，電路結構如圖10-2所示。
切比雪夫低通原型濾波器的設計，就是根據技術指標計算各參數值，按照基本電路結構進行設計。
濾波器的技術特性
由低通原型濾波器經過頻率變換，可得到低通、高通、帶通和帶阻4種實用濾波器。設阻抗因子為
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系如圖10-6所示。
?濾波器的主要分類
按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。
按所通過信號的頻段分為低通、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通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲；
帶阻濾波器：它抑制一定頻段內的信號，允許該頻段以外的信號通過。
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成的。這類濾波器的優點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時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。這類濾波器的優點是：通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，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、大功率的場合不適用。
根據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。這種濾波器的優點是經濟，缺點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、濾波器與機箱之間的一段連線會產生兩種不良作用： 一個是機箱內部空間的電磁干擾會直接感應到這段線上，沿著電纜傳出機箱，借助電纜輻射，使濾波器失效；另一個是外界干擾在被板上濾波器濾波之前，借助這段線產生輻射，或直接與線路板上的電路發生耦合，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，電纜上的干擾在機箱端口上被濾除，因此濾波效果相當理想
? ? ?濾波器的經典設計
一、無差拍 SVPWM 的有源濾波器設計
有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）作為一種用于動態抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時補償多次諧波電流，能實時控制、自動跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動態 響應速度，且具有改善三相不平衡度的優點。對于有源濾波器諧波電流檢測與補償電流的發生是其極為關鍵的技術。
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 制 （Space Vector PulseWidthModulation，SVPWM）三種技術。對于 SVPWM 其控制方法的優點主要在于：提高逆變器直流側電壓的利用率，減小開關器件的開關頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實現數字化。因此，逆變電路控制常采 用此種方法。在 APF 的應用中，SVPWM 常與滯環比較，PI調節器以及無差拍等結合應用。本文采用無差拍 SVP-WM 控制策略，對 APF 的電流進行補償控制，以獲得較好的動態補償效果。
1 電力有源濾波器諧波檢測方法
有源濾波器的諧波電流檢測方法由時域和頻域檢測法構成。時域檢測法主要分為：有功電流分離法和基于瞬時無功功率原理的 p-q 法，ip-iq 法以及 d-q 法等。頻域檢測法主要有 FFT法和諧波濾波器法等。
對于本文研究主要是采用 ip-iq 法來對電力有源濾波器進行分析研究，由圖1可看出其原理。圖中虛線框內為直流側電壓反饋控制部分，正余弦信號 sin ωt 和-cos ωt 由鎖相環 PLL 發生電路產生。其中 sin ωt 與 a 相輸入電壓 ua 同相;逆變電路直流側電壓的給定值為 Ucr，Ucf 是反饋值，將這兩路信號之差經過 PI 調節器進行調節，所得到的Δip 疊加到瞬時有功電流的直流分量中，經過運算得出指令電流 ih 中所含基波有功電流，從而令 APF 直流側與交流側進行能量互換，從而將 Uc 調整到給定值。對于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側信號與交流側信號的 能量交換是本文研究的關鍵。
2 無差拍控制簡介
SVPWM 控制是用指令電流 ic*（k） 代替補償電流 ic*（k+1）使 k 時刻的補償電流在 k+1時刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會存在一拍的滯后。而基于 SVPWM 的無差拍控制則在 k 時刻預測出 k+1時刻的指令電流值，并以此代替補償電流，最后通過 SVPWM 控制算法產生PWM 脈沖信號以控制變流器開關器件的通斷，從而使每一時刻輸出的補償電流等于其指令電流，實現了實時控制。無差拍 SVPWM 的控制原理如圖2所示。
二、LTCC 低通濾波器的設計
LTCC 濾波器的設計通常是基于經典濾波器設計理論，從結構上講，主要有兩種結構，一種是采用傳統的 LC 諧振單元結構，諧振單元由集總參數的電容電 感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線結構。本文所設計的低通濾波器采用第一種集總參數形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖3所示。
本文設計的LTCC濾波器中的集總參數的電容和電感通過 LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內部。LTCC 內埋植電容的設計一般采用兩種方式：垂直交指 型（VIC）電容和金屬-介質-金屬（MIM）電容。本文設計的濾波器的內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 結構電容相比 MIM 結構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，本文設計的低通濾波器內埋植電感元件采用多層螺旋結構的電感，在相同的有效電感值下此結構比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結構具有更高的自諧振頻率和品質因子。
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