干涉濾波器

干涉濾波器（filter）是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經過過濾而得到純淨的交流電。而干涉濾波器是指利用干涉原理來顯示波形的示波器。

基本介紹

• 中文名：干涉濾波器
• 外文名：filter
• 作用：將輸入或輸出過濾得到純淨交流電
• 簡介：用來消除干擾雜訊的器件
• 實質：利用干涉原理來顯示波形的示波器
• 套用學科：物理學、通信工程、儀器科學

干涉濾波器概述

濾波器就是對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，其功能是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率，利用這個特性可以將通過濾波器的一個方波群或複合噪波，從而得到一個特定頻率的正弦波。而干涉濾波器是指利用干涉原理來顯示波形的示波器。

濾波器類型

巴特沃斯回響

巴特沃斯響（最平坦回響）應能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該回響非常平坦，接近DC信號，然後慢慢衰減至截止頻率點為-3dB，最終逼近-20ndB/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數。巴特沃斯濾波器特別適用於低頻套用，其對於維護增益的平坦性來說非常重要。

貝塞爾回響

除了會改變依賴於頻率的輸入信號的幅度外，濾波器還會為其引入了一個延遲。延遲使得基於頻率的相移產生非正弦信號失真。就像巴特沃斯回響利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣，貝塞爾回響最小化了通帶的相位非線性。

切貝雪夫回響

在一些套用當中，最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。附錄A包含了設計多達8階的具巴特沃斯、貝塞爾和切貝雪夫回響濾波器所需參數的表格。其中兩個表格用於切貝雪夫回響∶一個用於0.1dB最大通帶紋波；另一個用於1dB最大通帶紋波。

濾波器的分類

按信號分類

按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

模擬濾波器在測試系統或專用儀器儀表中是一種常用的變換裝置。例如：帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置；低通濾波器用作數位訊號分析系統中的抗頻混濾波；高通濾波器被用於聲發射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲；帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器，等等。

與模擬濾波器相對應，在離散系統中廣泛套用數字濾波器。它的作用是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理。或者說，把輸入信號變成一定的輸出信號，從而達到改變信號頻譜的目的。數字濾波器一般可以用兩種方法來實現：一種方法是用數字硬體裝配成一台專門的設備，這種設備稱為數位訊號處理機；另一種方法就是直接利用通用計算機，將所需要的運算編成程式讓通用計算機來完成，即利用計算機軟體來實現。

按信號頻段分類

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，抑制低於或高於該頻段的信號、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。

按元器件分類

按所採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(R、L 和C)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(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）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，並且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁禁止(由於不使用電感元件）；缺點是：通帶範圍受有源器件(如集成運算放大器）的頻寬限制，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。

聲表面波濾波器
聲表面波是指聲波在彈性體表面的傳播，這個波被稱為彈性聲表面波。聲表面波的傳播速度比電磁波的速度約小10萬倍。聲表面波濾波器是採用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料，利用其壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而製成的一種濾波專用器件，廣泛套用於電視機及錄像機中頻電路中，以取代LC中頻濾波器，使圖像、聲音的質量大大提高。
SAW聲表濾波器、聲表諧振器，是在壓電基片材料表面產生並傳播、且其振幅隨深入基片本材料的深度增加而迅速減少的的彈性波。聲表面波(SAW)是傳播於壓電晶體表面的機械波，其聲速僅為電磁波速的十萬分之一，傳播衰耗很小。
SAW 聲表器件是在壓電基片上採用微電子工藝技術製作叉指形電聲換能器和反射器耦合器等，利用基片材料的壓電效應，通過輸入叉指換能器(IDT)將電信號轉換成聲信號，並局限在基片表面傳播，輸出IDT將聲信號恢復成電信號，實現電-聲-電的變換過程，完成電信號處理過程，獲得各種用途的電子器件。採用了先進微電子加工技術製造的聲表面波器件，具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、多功能以及設計靈活等優點。
介質濾波器
介質濾波器利用介質陶瓷材料的低損耗、高介電常數、頻率溫度係數和熱膨脹係數小、可承受高功率等特點設計製作的，由數個長型諧振器縱向多級串聯或並聯的梯形線路構成。其特點是插入損耗小、耐功率性好、頻寬窄，特別適合CT1，CT2，900MHz，1.8GHz，2.4GHz，5.8GHz，便攜電話、汽車電話、無線耳機、無線麥克風、無線電台、無繩電話以及一體化收發雙工器等的級向耦合濾波。

濾波器選取

集總低通原型濾波器是現代網路綜合法設計濾波器的基礎，各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據此特性推導出來的。正因如此，才使得濾波器的設計得以簡化，精度得以提高。
理想的低通濾波器應該能使所有低於截止頻率的信號無損通過，而所有高於截止頻率的信號都應該被無限的衰減，從而在幅頻特性曲線上呈現矩形，故而也稱為矩形濾波器（brick-wallfilter）。遺憾的是，如此理想的特性是無法實現的，所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據所選的逼近函式的不同，可以得到不同的回響。雖然逼近函式函式多種多樣，但是考慮到實際電路的使用需求，我們通常會選用“巴特沃斯回響”或“切比雪夫回響”。
“巴特沃斯回響”帶通濾波器具有平坦的回響特性，而“切比雪夫回響”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性，需要根據電路或系統的具體要求而定。但是，“切比雪夫回響”濾波器對於元件的變化最不敏感，而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性（位於通帶的中部），所以在一般的套用中，推薦使用“切比雪夫回響”濾波器。

偏振干涉光學濾波器

光學濾波器是一種波長選擇器件，在許多光學套用系統中具有重要的作用，其工作特性可以用頻率回響描述。以基於干涉和衍射原理的光學濾波器最為常見，從20世紀30年代丌始，對偏振光干涉現象的研究和套用逐漸得到人們的重視，

目前已經提出了多種基於偏振干涉效應的濾波器件。基於偏振干涉的光譜濾波技術已經廣泛套用於光通信、雷射諧振腔波長調諧、太陽光譜測量，遙感信息處理等多個領域，成為光學濾波器家族中一個重要的大類。

晶體型偏振干涉光濾波器

基於晶體雙折射效應的濾波器是偏振干涉光濾波器中得到廣泛套用的一種，其傳統結構有Lyot和Sole兩種類型。

傳統的晶體型偏振干涉光濾波器用來產生極窄帶的光脈衝，例如在太陽光譜測量中，藉助H_α線對日冕照相，使用FSR極小(≈0.1nm)的偏振干涉濾波器可以測得太陽光譜氫的分布。又例如，在雷射諧振腔中放置一偏振干涉濾波器，使光束入射角為布儒斯特角，以濾波器中波片的面法線為軸轉動該濾光片，便可實現對腔內振盪雷射的波長調諧。

Loyt型偏振干涉光濾波器

法國天文學家BernardLyot和Ohman先後於1933年和1938年提出了如圖所示的晶體型偏振干涉光濾波器結構，並成功的用於天文觀測及研究，後來稱為Lyot．Ohman濾波器。該濾波器由平行偏振片隔丌的一組雙折射晶體波片構成。晶體波片的厚度成幾何級數增長，所有波片的光軸與偏振片通光方向之間的夾角是45°。

雙折射濾波器

Ivan Solc於1953年和1955年提出了另一種更簡單的雙折射濾波器，該濾波器由一系列晶體波片和兩端的偏振器構成，晶體波片的排列方式有扇式展開和摺疊式展開兩種。圖所示為扇式展開的Solc型濾波器：兩端的偏振片通光方向正交，晶體波片光軸與輸入端偏振片通光方向之間的夾角依次為p，助，5p，⋯2np，其中p=π/4n，n是波片數目。

扇式展開的Solc型偏振干涉光濾波器