线性相位滤波器背景

滤波器是一种用来处理信号的器件或电路，主要作用是让有用信号无损耗地通过，同时尽可能地反射掉无用的信号。信号的相频特性和幅频特性一样，都是信号的重要特征。长期以来，无论对于数字信号还是模拟信号，相位特性往往不是考虑的重点。但随着通信市场的不断发展，人们对通信质量的要求越来越高，相频特性也越来越受到重视。振幅响应和相位响应均不失真的滤波器可以降低系统的误码率，改善通信质量。

在电视、网络、数字通信和雷达系统中，输出信号想要恢复输入信号携带的原始信息，必须满足无相位失真条件。有线电视前端系统的性能指标决定了其信号的质量好坏，滤波器是其前端系统中重要的一环，它可以过滤或抑制干扰信号，以得到用户需要的电视图像和声音。但如果传输函数的相频特性产生变化，则由此引起的相位畸变将会使用户接收的电视信号产生失真。此外，线性相位滤波器在雷达的脉冲信号传输和功放的预失真技术中都有着重要的应用。有时系统需要满足一定的相位特性，比如脉冲压缩或扩展，或补偿其他元器件所产生的相位失真等，比如滤波器或色散结构，也需要用到线性相位滤波器。

线性相位滤波器主要有两种实现方法：外部均衡法和自均衡方法。

线性相位滤波器外部均衡线性相位滤波器

外部均衡线性相位滤波器的设计思路是：在滤波器所在电路中连接一个相移均衡器，其相位特性与滤波器相反。插入的外部均衡器的群时延的起伏与滤波器带内起伏是相反的，二者抵消从而使整个系统的群时延平坦。耦合谐振器型外部群时延均衡器为单端口微波器件，它通过环形器或3dB定向耦合器与滤波器连接，用于改善滤波器的群时延特性。系统的总群时延等于滤波器的传输群时延与均衡器的反射群时延之和，如图1所示，其中(a)方案采用环形器将滤波器与相位均衡器相连，方案(b)是通过3d B混合耦合器将滤波器与相位均衡器相连。

外部均衡线性相位滤波器的优点是相位均衡器可以制作成独立的微波元件与微波滤波器级联使用，也可以与滤波器集成在同一片介质基片上使用，可以分别单独设计和加工，在一定程度上便于性能的控制，降低了加工的难度。缺点是外接相位均衡器使得系统的体积增加很多，不利于系统的小型化集成。

线性相位滤波器自均衡线性相位滤波器

自均衡线性相位滤波器就是利用交叉耦合在复平面的是实轴引入传输零点，从而在滤波器通带内产生平坦的群时延特性。因为谐振器间的耦合除相邻的直接耦合外，还存在非相邻谐振器间的交叉耦合，因此电路结构相对复杂，设计难度更大。但是自均衡设计方法的优点是集成度高，可以有效减小系统的体积。

线性相位滤波器梳状线结构

原理图如图2所示，其中节点AB为信号输入输出口，线A和线B是滤波器中用于输入输出阻抗匹配的部分，线1到线n是谐振级。每个谐振级由多层带状线组成，各个谐振级之间通过带状线的宽边耦合。

在没有集总电容

谐振器的电长度为

通常情况下，滤波器通带的相对带宽大于15%时，滤波器的设计可以采用交指线结构；相对带宽大于5%时，可以选用梳状线结构；相对带宽小于5%时，采用同轴腔体结构。一般而言，如果采用梳状线结构设计带宽较窄的滤波器，体积会比采用同轴腔体结构大很多。因为腔体结构内导体之问有隔板可以减弱耦合，但是梳状线结构内导体之间只有介质，为了减弱耦合就要拉宽谐振级的间距。这样，窄带的梳状线滤波器在体积上没有优势，但是与同轴腔体结构相比，由于有公式和软件协助计算，梳状线滤波器设计起来更加方便简单。

线性相位滤波器矩形环状谐振器结构

矩形环状谐振器是由传输线构成的一种封闭环型节构，具有较低的损耗和很高的频率稳定性，而且成本低、尺寸小、加工方便、易集成。矩形环状谐振器结构如图3所示，w为矩形环的宽度，l为矩形环的周长。

这种谐振器属于二端口微波器件，可以采用二端口网络的电路理论来分析其性能 。2100433B

贝塞尔(Bessel)滤波器具有最平坦的幅度和相位响应。带通（通常为用户关注区域）的相位响应近乎呈线性。Bessel滤波器可用于减少所有IIR滤波器固有的非线性相位失真。

贝塞尔(Bessel)线性相位滤波器正是由于具有向其截止频率以下的所有频率提供等量延时的特性，才被用于音频设备中，在音频设备中，必须在不损害频带内多信号的相位关系前提下，消除带外噪声。另外，贝塞尔滤波器的阶跃响应很快，并且没有过冲或振铃，这使它在作为音频DAC输出端的平滑滤波器，或音频ADC输入端的抗混叠滤波器方面，是一种出色的选择。贝塞尔滤波器还可用于分析D类放大器的输出，以及消除其它应用中的开关噪声，来提高失真测量和示波器波形测量的精确度。

虽然贝塞尔滤波器在它的通频带内提供平坦的幅度和线性相位（即一致的群延时）响应，但它的选择性比同阶（或极数）的巴特沃斯(Butterworth)滤波器或切比雪夫(Chebyshev)滤波器要差。因此，为了达到特定的阻带衰减水平，需要设计更高阶的贝塞尔滤波器，从而它又需要仔细选择放大器和元件来达到最低的噪声和失真度。