信号发生器中使用的无源滤波器主要用于对输出信号进行频率选择、谐波抑制或噪声滤除，其核心特点是仅由无源元件（电阻R、电感L、电容C）构成，无需外部电源。根据频率响应特性，无源滤波器可分为以下主要类型，每种类型在信号发生器中有不同的应用场景：

一、按频率响应特性分类

1. 低通滤波器（Low Pass Filter, LPF）

• 功能：允许低频信号通过，抑制高频信号（包括谐波和噪声）。
• 典型应用：
  • 信号发生器输出基带信号时，滤除高频谐波（如方波转正弦波）。
  • 在射频信号发生器中，抑制本振（LO）泄漏或镜像频率。
• 电路结构：
  • 一阶LPF：由单个电阻和电容组成（RC滤波器），截止频率 fc=2πRC1。
  • 高阶LPF：如巴特沃斯（Butterworth）或切比雪夫（Chebyshev）滤波器，通过多级LC或RLC网络实现更陡峭的滚降特性。
• 示例：
  • 信号发生器输出1 MHz正弦波时，使用LPF滤除10 MHz以上的谐波。

2. 高通滤波器（High Pass Filter, HPF）

• 功能：允许高频信号通过，抑制低频信号（如直流偏移或低频噪声）。
• 典型应用：
  • 信号发生器输出高频调制信号时，去除直流分量。
  • 在通信测试中，分离高频载波与低频基带信号。
• 电路结构：
  • 一阶HPF：由单个电容和电阻组成（CR滤波器），截止频率 fc=2πRC1。
  • 高阶HPF：通过LC网络实现，如π型滤波器（两个电容夹一个电感）。
• 示例：
  • 信号发生器输出100 MHz射频信号时，使用HPF滤除0-1 MHz的低频噪声。

3. 带通滤波器（Band Pass Filter, BPF）

• 功能：允许特定频段信号通过，抑制频段外信号（如邻道干扰或杂散辐射）。
• 典型应用：
  • 信号发生器生成窄带信号（如QPSK调制信号）时，选择目标频带。
  • 在频谱分析仪配套使用中，提取特定频率成分。
• 电路结构：
  • LC带通滤波器：由串联LC谐振回路和并联LC回路组合而成，中心频率 f0=2πLC1。
  • 晶体带通滤波器：利用石英晶体的压电效应实现高选择性，常用于高频信号发生器（如10 MHz参考时钟）。
• 示例：
  • 信号发生器输出2.4 GHz Wi-Fi信号时，使用BPF抑制2.3 GHz和2.5 GHz的邻道干扰。

4. 带阻滤波器（Band Stop Filter, BSF）或陷波滤波器（Notch Filter）

• 功能：抑制特定频段信号，允许其他频率通过（如消除特定干扰或谐波）。
• 典型应用：
  • 信号发生器输出中存在50 Hz工频干扰时，使用BSF滤除该频率。
  • 在射频信号发生器中，抑制镜像频率或杂散辐射。
• 电路结构：
  • LC并联谐振BSF：在目标频率处呈现高阻抗，形成陷波点。
  • 双T型网络BSF：由电阻和电容组成，适用于低频陷波（如音频信号处理）。
• 示例：
  • 信号发生器输出1 GHz信号时，使用BSF抑制950 MHz的镜像频率。

二、按实现方式分类

1. 集总参数滤波器

• 特点：由分立元件（电阻、电感、电容）构成，适用于低频（<1 GHz）应用。
• 优势：成本低、设计灵活、易于调试。
• 局限：高频时电感寄生参数（如分布电容）会影响性能。
• 示例：
  • 信号发生器输出音频信号（20 Hz-20 kHz）时，使用RC或RLC滤波器。

2. 分布参数滤波器

• 特点：利用传输线（如微带线、波导）的分布参数效应实现滤波，适用于高频（>1 GHz）应用。
• 类型：
  • 微带线滤波器：在印刷电路板（PCB）上蚀刻微带线，通过调整线宽和间距实现滤波。
  • 波导滤波器：利用金属波导的谐振特性，适用于毫米波频段（如30 GHz-300 GHz）。
• 优势：高频性能好、插入损耗低、功率容量大。
• 示例：
  • 信号发生器输出28 GHz 5G信号时，使用波导带通滤波器。

3. 晶体滤波器

• 特点：利用石英晶体或压电陶瓷的机械谐振特性，实现高选择性滤波。
• 类型：
  • 单晶体滤波器：中心频率由晶体固有频率决定（如10 MHz晶体滤波器）。
  • 晶体阶梯滤波器：由多个晶体串联或并联组成，扩展带宽。
• 优势：Q值高（>10,000）、温度稳定性好。
• 局限：频率固定、成本较高。
• 示例：
  • 信号发生器输出10 MHz参考时钟时，使用晶体滤波器抑制谐波。

4. 声表面波（SAW）滤波器

• 特点：在压电基片上制作叉指换能器（IDT），利用声表面波传播实现滤波。
• 优势：体积小、重量轻、可集成化，适用于移动通信频段（如800 MHz-2.5 GHz）。
• 局限：功率容量较低（通常<1 W）。
• 示例：
  • 信号发生器输出GSM 900信号时，使用SAW滤波器抑制邻道干扰。

三、按滤波器阶数分类

1. 一阶滤波器

• 特点：由单个R、L、C元件组成，滚降特性较平缓（20 dB/十倍频程）。
• 应用：对滤波要求不高的场景（如简单去耦或直流隔离）。
• 示例：
  • 信号发生器输出直流偏置信号时，使用一阶RC高通滤波器去除直流分量。

2. 高阶滤波器

• 特点：由多级R、L、C元件组成，滚降特性更陡峭（如40 dB/十倍频程、60 dB/十倍频程）。
• 类型：
  • 巴特沃斯滤波器：通带内平坦，适用于对幅度失真敏感的场景。
  • 切比雪夫滤波器：通带内有纹波，但滚降更快，适用于对过渡带要求高的场景。
  • 椭圆滤波器：通带和阻带均有纹波，但滚降最陡峭，适用于高频选择性滤波。
• 示例：
  • 信号发生器输出100 MHz窄带信号时，使用四阶巴特沃斯带通滤波器。

四、实际应用案例

案例1：信号发生器输出正弦波的谐波抑制

• 需求：生成1 kHz正弦波，要求谐波抑制>60 dB。
• 方案：
  • 使用八阶椭圆低通滤波器（截止频率2 kHz），滚降速率达160 dB/十倍频程。
  • 电路结构：四级LC滤波器级联，每级采用椭圆滤波器拓扑。
• 效果：
  • 基波（1 kHz）幅度：0 dBm
  • 三次谐波（3 kHz）幅度：<-60 dBm

案例2：信号发生器输出射频脉冲的杂散抑制

• 需求：生成1 GHz脉冲信号，要求杂散抑制>50 dBc（相对于载波）。
• 方案：
  • 使用波导带通滤波器（中心频率1 GHz，带宽100 MHz）。
  • 滤波器结构：多模波导谐振腔，通过调整腔体尺寸实现高选择性。
• 效果：
  • 载波（1 GHz）幅度：0 dBm
  • 邻道杂散（950 MHz/1.05 GHz）幅度：<-50 dBm

五、总结

信号发生器中常用的无源滤波器类型及其特点如下：

选择建议：

• 低频应用（<1 GHz）：优先选择集总参数滤波器（如RC、RLC）。
• 高频应用（>1 GHz）：选用分布参数滤波器（如微带线、波导）或SAW滤波器。
• 高选择性需求：采用高阶滤波器（如椭圆、切比雪夫）或晶体滤波器。
• 体积限制：SAW滤波器或微型化LC滤波器（如多层陶瓷滤波器）。

通过合理选择滤波器类型和参数，可显著提升信号发生器的输出信号质量，满足不同测试场景的需求。