濾波器（filter）作為一種選頻裝置，能夠高效地允許信號中特定頻率成分通過，同時顯著衰減其他頻率成分。其工作原理是在設定的通頻帶內，衰減程度較小，從而確保能量的順暢傳輸；而在通頻帶之外，衰減程度急劇增加，有效抑制了非必要能量的傳遞。因此，濾波器能夠有效濾除與所需傳輸信號頻率不符的干擾成分。此外，依據濾波器的結構、集成度、通帶位置和處理信號等特征，可劃分為FIR濾波器、IIR濾波器、元件濾波器、集成濾波器等多種類型。
濾波器技術起源于1915年，德國科學家瓦格納（Wagner）和美國科學家坎貝爾（Campbell）的發明。到了20世紀50年代，數字濾波電路和z變換微積分的出現為濾波器理論帶來了重大突破。1965年，單片集成運算放大器的問世使得有源RC濾波器得以實現。隨著集成線性元件、混合集成電路和全集成電路的不斷發展，濾波器設計逐漸變得更為高效和緊湊。20世紀80年代后，濾波器進入了全集成系統時代，1983年通過mos晶體管的線性區實現的壓控電阻，成功推動了MOSFET-C全集成濾波器的誕生。1999年，卡梅爾龍（Cammeronn）提出了任意階數和任意傳輸零點的綜合方法，這一方法極大地拓展了濾波器設計的可能性，并實現了濾波器的小型化。2003年，卡梅爾龍再次通過結合源-負載耦合與交叉耦合技術，進一步提升了濾波器的性能。到了2012年，電子科技大學尉旭波博士提出了混合電磁耦合技術，為濾波器設計領域帶來了新的突破。
常見的濾波器設計方法有基于網絡綜合的設計、基于優化技術的設計以及基于脈沖響應的設計等。濾波器的響應類型多樣，包括巴特沃斯（Butterworth）響應、切比雪夫（Chebyshev）響應和橢圓函數（Elliptic Function）響應。在信號處理過程中，由于傳感器采集的原始信號常含有各種噪聲成分，濾波器的作用顯得尤為重要。它能有效濾除這些噪聲，特別是高頻或低頻噪聲，從而顯著提升信號質量。經過濾波處理后的有效信號，將變得更加清晰、準確，為后續的數據分析和處理提供可靠的支撐。常見的參數特性有中心頻率、截止頻率、通帶帶寬、插入損耗等，基于濾波器的設計方法與特性常應用于電力系統、光通信系統和運動控制器等多個領域。濾波器是射頻前端芯片中價值最高的細分領域。隨著半導體領域向以碳化硅、GaN為代表的第三代半導體材料方向發展，濾波器的未來發展將更加注重其高頻性能、小型化設計以及節能化發展。
歷史沿革
起源
自1910年世界上首套載波電話通信系統問世以來，濾波器的研究與發展便受到了有效拾取特定頻段信號需求的推動。濾波器的歷史可追溯至1915年，當時德國科學家奧托·瓦格納（Wagner）發明了“瓦格納濾波器”，而美國科學家坎貝爾（Canbell）則發明了“鏡像參數法型濾波器”，這兩大發明共同標志著濾波器發展史上的重要里程碑。
早期，濾波器主要依賴于無源分立RLC元件（包括電阻、電感和電容）構建。隨著技術的進步，集成線性元件、混合集成電路以及單片全集成電路相繼問世，這些創新技術極大地提升了濾波器的設計效率和緊湊性。
1933年，性能穩定且損耗低的石英晶體濾波器應運而生，其理論不斷完善與創新，為濾波器的發展注入了強大動力。例如，20世紀30年代后期出現的鏡像參數法以及1955年誕生的插入損耗法，為濾波器的設計提供了堅實的理論指導，其中，插入損耗法更是成為了當今濾波器設計的經典理論。
早期發展
進入20世紀中葉，濾波器理論的研究逐漸深入。在20世紀50年代，數字濾波電路的試驗嘗試開始興起。隨著z變換微積分的引入，數字濾波器理論在20世紀60年代取得了顯著的進展。此外，1965年單片集成運算放大器的成功研制，為利用有源技術模擬電感提供了可能，進而實現了電感的完全取代，為有源RC濾波器的實現奠定了堅實的理論基礎和物質基礎。1967年，Kerwin-Huelsman-Newcomb（KHN）第二階濾波器的出現，展現了從被動RLC濾波器演變而來的創新設計方法，進一步彰顯了濾波器設計的多樣性和創新性。同時，在這一時期，有源濾波技術也實現了快速發展，特別是在電力系統中動態追蹤并抑制諧波，以及補償電網中較低的無功分量方面發揮了重要作用。
七十年代，混合集成電路技術的興起將有源RC濾波器推向了成熟階段。在混合集成電路中，有源RC濾波器的電阻、電容和有源元件都可以被集成在同一芯片上，這種集成方式不僅減小了濾波器的體積和重量，還提高了其穩定性和可靠性，因此成為了濾波器學科發展史上的又一重要里程碑。
MOS化
隨著航天、航空技術、現代通訊技術和控制技術的不斷進步，對系統集成化提出了更高的要求。由于有源RC濾波器中的電阻集成需要占用較大的芯片面積，七十年代末期，人們開始研究取代電阻的方法。1977年，采用開關電容模擬電阻取得成功，并由此構建了開關電容濾波器，這是濾波器從分立走向全集成的重大突破。
八十年代，濾波器學科迎來了全集成系統發展的黃金時期。1983年，通過mos晶體管的線性區實現壓控電阻器，MOSFET-C全集成濾波器成功問世。到了1984年，跨導電容濾波器在MOSVLSI技術的助力下得以實現，為OTA-C濾波器的發展注入新動力。同年，基于MOS管分布參數實現的阻容時間常數，提出了全MOS管濾波器的新概念。在1989年時，通過MOS晶體管和模擬開關的結合，成功構建了開關電流濾波器。這個階段有源濾波器的發展呈現高度集成化、元件單一性和全MOS化等特征。
耦合矩陣的運用
在耦合矩陣理論領域中，廣義切比雪夫濾波器耦合矩陣綜合方法極具代表性。該方法基于廣義切比雪夫濾波器函數綜合理論，為濾波器的設計提供了強有力的支持。1999年時，卡梅爾龍（Cammeronn）提出了任意階數和任意傳輸零點的綜合方法，極大地拓展了濾波器設計的可能性，并實現了濾波器的小型化設計。隨后，在2003年，羅什曼夫（Roshmann）提出的源-負載耦合濾波器，同年，卡梅爾龍又提出先進耦合矩陣方法，通過將源-負載耦合與交叉耦合相結合，使得N+2階濾波器能夠擁有N個傳輸零點，進一步提升了濾波器的性能。2012年，電子科技大學尉旭波博士提出混合電磁耦合技術，在濾波器設計中引入多個傳輸零點。隨著半導體領域向以碳化硅、GaN為代表的第三代半導體材料方向發展，濾波器的未來發展將更加注重高頻性能、小型化設計和節能化。
工作原理
濾波器的工作原理是在一定的通頻帶內，衰減很小，使得能量能夠輕松通過；而在通頻帶之外，衰減則非常大，從而有效抑制能量的傳輸。因此，濾波器能夠濾除與需要傳輸的信號頻率不同的干擾。濾波器將有用信號的頻譜與干擾的頻譜隔離得越完善，其對電磁干擾的抑制效果就越好。
此外，濾波器作為處理信號的電路，其工作特性主要取決于信號的頻率。當信號的頻率變化時，濾波器的行為也會發生變化，這種特性被稱為頻率響應。濾波器的頻率響應可以用傳遞函數來表示，其中是角頻率（以弧度/秒為單位，即rad/s），而是虛數單位。
傳遞函數則是具體描述了兩個關鍵方面：幅度響應和相位響應。幅度響應給出了信號通過濾波器后所經受的增益（或衰減），而相位響應則描述了信號經過濾波器后相位的變化。
分類
按照濾波器的結構劃分
根據濾波器的結構，可以將其劃分為FIR（有限脈沖響應）濾波器和IIR（無限脈沖響應）濾波器兩種類型。FIR濾波器的輸出完全基于當前以及之前有限數量的輸入樣本；而IIR濾波器的輸出不僅取決于當前和過去的輸入，還與其過去的輸出有關。
按集成度分類劃分
根據濾波器的集成度，可以將其劃分為元件濾波器和集成濾波器兩種類型。元件濾波器通常用于低頻信號處理，具有較高的靈活性和可定制性，集成濾波器則是常應用于高頻信號處理，具有較高的集成性。
按通帶的位置劃分
根據濾波器通帶的位置，可以將其劃分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種類型。通帶位置和角頻率范圍是區別這些濾波器類型的主要特征。
按處理信號劃分
根據濾波器的處理信號，可以將其劃分為經典濾波器和現代濾波器兩種類型。經典濾波器主要用于在不同的頻帶中將不需要的成分有效地去除。而現代濾波器則是從含有噪聲的數據記錄（又稱時間序列）中估計出信號的某些特征或信號本身。
按處理信號的性質劃分
根據濾波器處理信號的性質，可以將其劃分為模擬濾波器和數字濾波器兩種類型。模擬濾波器是將濾波后的模擬信號傳輸到模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，A/D）進行模數轉換。而數字濾波器則是將模擬信號通過A/D轉換器轉為數字信號，再將數字信號傳輸給計算機，從而將噪聲信號濾除。
按所采用的元器件劃分
根據濾波器所采用的元器件不同，可以將其劃分為無源濾波器和有源濾波器兩種類型。無源濾波器主要基于電容器和電感元件的電抗隨頻率變化的原理設計而成，而有源濾波器則結合了無源元件（如電阻R和電容C）以及有源器件（如集成運算放大器）。
按照濾波器的設計理論劃分
根據濾波器所采用的設計理論，可以將其劃分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾波器三種類型。巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器都具備高通、低通、帶通和帶阻四種工作模式，而對于給定的濾波器指標（如階數和波紋要求），橢圓濾波器通常能以最低的階數實現所需的頻率響應。
設計方法
基于網絡綜合的設計方法
濾波器的網絡綜合設計方法主要基于網絡綜合理論，它首先通過數學方法綜合電路的拓撲結構，以得到滿足特定性能要求的電路參數，進而確定集總元件低通型電路。隨后，這些集總元件通過微波結構來實現，以確保濾波器在實際應用中的性能。其核心在于利用給定的輸入-輸出信號偶來構建和優化網絡拓撲，并確定各元件的類型和參數值，以確保這組信號偶能在網絡中有效傳輸。這一方法作為網絡分析的補充，通常被稱為網絡綜合或系統綜合。在網絡綜合的實踐中，鑒于不同網絡結構和元件參數組合均可能滿足特定的輸入-輸出要求，網絡綜合問題往往存在多個解，甚至有時無解。當輸入-輸出信號偶以頻域形式呈現，如傳遞函數、策動點阻抗函數或策動點導納函數時，濾波器的設計便需要在頻域內對網絡進行綜合。濾波器設計與網絡綜合理論緊密相連，因為濾波器的設計本質上就是根據給定的性能指標（如頻率響應、通帶衰減、阻帶衰減等）來構建滿足這些要求的網絡。
基于優化技術的設計方法
濾波器基于優化技術的設計方法主要涉及到通過優化技術來確定系統函數的系數、或者零極點和等參數。該方法的關鍵在于選擇一種合適的誤差判別準則，如最小均方誤差準則，用于計算設計濾波器與實際濾波器之間的誤差。
這種方法的關鍵步驟包括選擇合適的誤差判別準則（如最小均方誤差準則），用于量化設計濾波器與實際濾波器之間的差異。設計過程始于明確濾波器的性能指標和設計要求，并據此選擇誤差判別準則。隨后，對濾波器參數進行初始化，并通過迭代方式結合優化算法（如梯度下降法、牛頓法、遺傳算法等）來逐步更新這些參數，直至誤差達到預設的最小值或滿足其他收斂條件。最終，利用優化得到的最優參數構建濾波器，實現精確的信號處理。該方法能夠較精確地滿足復雜的濾波器性能指標要求，但計算過程復雜，需借助計算機輔助設計（CAD）技術來完成。
基于脈沖響應的設計方法
濾波器設計的一種關鍵方法是基于脈沖響應（Impulse Response，IR）的。這種方法主要聚焦于通過直接設計濾波器的脈沖響應，以實現特定的頻率或時域特性。它尤其適用于有限脈沖響應（FIR）濾波器的設計，因為FIR濾波器的脈沖響應是有限的，且不包含遞歸或反饋元素。在FIR濾波器設計中，核心目標是找到一組“最佳”的濾波器系數，即脈沖響應的樣本值。這些系數決定了濾波器對輸入信號的響應。而最佳系數的選擇則基于特定的設計標準或要求，如濾波器在特定頻率范圍的頻率響應、時域響應的約束，或與給定“模板”信號的匹配程度。
濾波器響應
巴特沃斯響應
巴特沃斯（Butterworth）響應是巴特沃斯于1930年提出的一類響應函數：。將其帶入后，可知巴特沃斯函數的響應曲線在截的函數值、一階導數、二階導數直至n階導數均為零，因此巴特沃斯響應也被稱為最平坦響應。
切比雪夫響應
切比雪夫（Chebyshev）響應是微波工程中最常用的一類函數。其響應函數為：。切比雪夫低通響應在通帶內有一些波紋，導致通帶內并不平坦，但在通帶外的衰減更快。由于切比雪夫響應的帶外特性比較優異，因此在濾波器的設計中應用廣泛。由切比雪夫響應函數實現的濾波器一般也被稱為切比雪夫濾波器。
橢圓函數響應
橢圓函數（Elliptic Function）響應在通帶和阻帶都具有等波紋特性，其響應函數為：。橢圓函數響應與前兩種響應不同，它在通帶內和通帶外都有紋波出現，但在截止頻率處具有極大的衰減。因此，橢圓函數響應的這種特點使得其設計的濾波器具有高選擇度和隔離度，從而得到了廣泛的應用。
意義
提高信號質量
在信號處理過程中，傳感器采集到的原始信號往往包含各種噪聲成分。濾波器能夠有效地濾除這些噪聲，特別是高頻或低頻噪聲，從而顯著提高信號的質量。通過濾波處理，可以使有效信號更加清晰、準確，為后續的數據分析和處理奠定堅實的基礎。
保護設備免受干擾
高頻噪聲可能對設備造成干擾，甚至損壞設備。通過使用低通濾波器，可以有效地濾除這些高頻噪聲，保護設備免受干擾，確保設備的正常運行。
實現信號分離
在復雜的信號環境中，可能存在多個頻率成分的信號疊加在一起。通過使用帶通或帶阻濾波器，可以將特定頻帶的信號從混合信號中分離出來，便于對特定信號進行分析和處理。
優化系統性能
濾波器的設計可以根據實際需求進行調整，以實現最佳的系統性能。通過調整濾波器的參數，可以減小過渡帶的寬度，降低過渡帶信號對通帶內信號的干擾，從而提高系統的整體性能。
擴展信號處理
除了基本的高通、低通濾波功能外，濾波器還可以實現更復雜的信號處理功能，如帶通、帶阻等。這些功能使得濾波器在信號處理領域具有廣泛的應用前景，可以滿足不同場景下的信號處理需求。
市場情況
全球濾波器市場規模在近年來持續增長，其中2018年全球市場規模約為90億美元，到了2020年，全球市場規模約為150億美元，預計2025年這一市場規模將達到280億美元，市場空間7年內翻三倍，年復合增長率達18%。其中，射頻濾波器市場的主要生產商包括broadcom（AVAGO）和Murata等，前兩大企業占據了全球市場約55%的份額。亞太地區是該行業的主要市場，占據全球市場約80%的份額。
此外，摩爾定律的發展也在間接推動濾波器市場的繁榮。隨著新材料和新工藝的不斷涌現，濾波器的性能得到了顯著提升，同時成本也在逐步降低，這為濾波器市場的進一步擴張提供了強有力的技術支撐。
主要參數
挑戰
高頻性能優化
隨著半導體領域向以碳化硅、GaN為代表的第三代半導體材料方向發展，電子產品對高頻性能的需求日益增加。濾波器作為電子系統中的關鍵組成部分，其高頻性能直接決定了整個系統的通信質量和數據傳輸速率。因此，如何在保證濾波器性能穩定的同時，進一步優化其高頻性能，是當前濾波器設計面臨的重要挑戰。
電磁干擾與兼容性問題
現代電子產品功能的日益強大和電子線路的復雜性增加，使得電磁干擾和電磁兼容性問題愈發凸顯。濾波器作為壓縮信號回路干擾頻譜的關鍵工具，其性能對于保證電子系統的穩定運行至關重要。如何在復雜電磁環境下提高濾波器的抗干擾能力，同時保證電磁兼容性，是當前濾波器設計和應用中需要面對的重要挑戰。
節能特性
隨著環保意識的提高和能源危機的加劇，節能成為電子產品設計的重要考量因素之一。濾波器作為電子系統中的耗能部件之一，其節能性能對于降低整個系統的能耗具有重要意義。因此，如何在保證濾波器性能的前提下降低其能耗，是當前濾波器設計和應用中需要解決的重要問題。
應用
電力系統
在電力系統中，濾波器發揮著至關重要的作用。它們主要用于抑制諧波和提高功率因數，有助于確保電力系統的穩定運行。濾波器的設計方法能夠精確地限制諧波電壓和電流，通過計算電容器的最小容量，達到最佳的濾波效果。此外，有源濾波器被廣泛應用于電力線網絡中，它們能夠有效地抑制諧波分量，并阻尼諧波共振，從而提高整個電力系統的效率和穩定性。
光通信系統
在光通信系統中，濾波器同樣是不可或缺的組件。光纖光柵濾波器及集成陣列波導濾波器等。它們能夠精確地選擇、傳輸或抑制特定頻率的光信號，從而確保光通信系統的穩定性和可靠性。隨著光通信技術的不斷發展，這些濾波器將在未來的系統中發揮更加重要的作用。
運動控制器
在運動控制系統中，濾波器也發揮著重要的作用。通過應用濾波器，可以有效地過濾掉運動控制器中的噪聲和干擾信號，提高系統的控制精度和穩定性。這使得運動控制器能夠更準確地執行指令，實現更平滑、更精確的運動控制。
未來發展方向
隨著濾波器技術的不斷發展，研究逐漸呈現兩極分化的趨勢。一方面，研究者們利用各種復雜的數學公式推導出各種傳輸零點和傳輸極點，進而設計出性能卓越的復雜濾波器；另一方面則是致力于面向新材料、新工藝的濾波器研究，探索更為簡單實用、低成本、高性能的濾波器設計方案，以實現濾波器的小型化、集成化及成本效益的最優化。這些研究不僅推動了濾波器技術的持續進步，也為濾波器市場的繁榮注入了源源不斷的活力。使得濾波器朝著高性能、高選擇性和小型化的方向發展。
高性能的全可調（可重構）濾波器
高性能全可調（可重構）濾波器高性能全可調（可重構）濾波器是研究的重點之一。這一方向的研究旨在進一步提升濾波器的性能，并賦予其可調性或可重構性，以滿足不同應用場景的多樣化需求。
高選擇性的極窄帶濾波器
鑒于濾波器在信號選擇中濾除干擾的核心作用，特別是在無線系統中，一款具備高抑制度和低插損特性的濾波器至關重要。然而，采用常規射頻微波平面材料設計此類濾波器時，常常面臨技術挑戰。因此，當前聲表面波濾波器、體聲波濾波器（特別是在2.5GHz以上工作頻率）以及小型化三維堆疊式腔體濾波器等方向都顯示出進一步研究的潛力。
集成在微系統中的小型化濾波器
微系統中集成的小型化濾波器研究也具有重要意義。這包括低溫共燒陶瓷濾波器、介質濾波器、片上集成濾波器以及基于液晶聚合物的小型化射頻濾波器等多種類型。這些研究旨在實現濾波器的小型化和集成化，從而提高系統的整體性能和集成度。
參考資料 >
濾波器.中國大百科全書.2024-06-19
History and Progress of the Kerwin-huelsman-newcomb Filter Generation and op Amp Realizations.ResearchGate.2024-06-18
中美貿易戰下科技產業的自主可控之路.中信建投證券.2024-07-18
濾波器概述及市場規模分析.摯物產業研究院.2024-07-18
2024年全球射頻濾波器行業總體規模、主要企業國內外市場占有率及排名.QYRESEARCH.2024-07-18
濾波器的主要參數.ASIM.2024-07-18
濾波器基礎-濾波器的種類與特性.lEldata.2024-07-18