濾波器功率最大而靈敏度卻最低

　　我們只使用無(wú)源兩線(xiàn)組件構建一個(gè)高Q值低通濾波器。圖9顯示的是信號發(fā)生器設置為開(kāi)路輸出1Vrms到黑盒子電壓的全頻段狀況。我們明確無(wú)誤地實(shí)現了讓系統在規定頻率上工作的電壓增益。那么，什么地方有免費的午餐呢?

　　當然什么地方都不會(huì )有。我們可以問(wèn)個(gè)額外的問(wèn)題：“我們能夠從這類(lèi)解決方案得到的最大電壓增益值是多少?”要得到結果，首先要認識到，雖然從這樣的元器件組合中得到電壓增益是常見(jiàn)的，但不可能得到功率增益。這就是理解這些無(wú)源濾波器網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵所在：功率進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )，然后離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )。如果信源能在特定輸出電阻上提供特定的輸出電壓，對于連接的負載而言，能夠耗散的功率有嚴格的上限。你可能在學(xué)校中學(xué)習過(guò)最大功率定理，但沒(méi)有投入太多注意。但對無(wú)源濾波器而言，這個(gè)定理非常重要，所以今后應該予以關(guān)注。

　　可能你已經(jīng)記起來(lái)了，實(shí)現最大功率傳輸的條件是負載電阻和信源電阻相等。你可以使用大學(xué)里學(xué)到的枯燥無(wú)味的微積分來(lái)證明。先用一個(gè)表達式表達負載電阻上耗散的功率，根據負載電阻RL計算該功率的導數。將導數設為0，然后求解RL。繼續，就是這么計算的。

　　是不是一下子豁然開(kāi)朗了?你首先想到的是用變壓器。這是讓負載電阻與信源電阻匹配的傳統方法。在理想的情況下，變壓器可以把功率從信源無(wú)損地傳輸到負載，不過(guò)它一般用于電壓、電流不同的情況下。使用適當的匝比，不論負載電阻值是多少，都可以在理想的情況下在負載電阻上獲得相同的耗散功率。

　　這就是我們對圖8的LC濾波器網(wǎng)絡(luò )采用的措施：我們引入了一個(gè)變壓器。所有進(jìn)入LC網(wǎng)絡(luò )的功率又出去了。在采用適當的組件值的情況下，我們可以讓所有功率在特定的頻率上全部到達負載上，而不用管負載的值是多少。

　　如果我們可以使用變壓器或者變壓器的等效LC線(xiàn)路，我們可以計算出50歐姆信源和3.3K歐姆負載之間能夠獲得的最大電壓增益。需要的電壓變換等于阻抗比的平方根，在本例中為8.12倍。將該比例與我們在等電阻端接例子中的電壓增益0.5相乘。所以在任意LC值下可以得到的最大增益為4.06倍，或者大約12.2dB。圖10顯示的是用我們自制的變壓器任意選擇1,000種不同的L和C值得到的結果。響應曲線(xiàn)的峰值從未超過(guò)預計值。至于為什么不是每個(gè)頻率下所有功率都耗散在負載上，是因為部分功率被反射回了信源。

　　圖10：響應曲線(xiàn)的峰值從未超過(guò)預計值

　　所有射頻工程師都開(kāi)始不耐煩地打哈欠了，因為這是你們的常識。設計LC網(wǎng)絡(luò )，確保讓所有信源的功率傳輸到負載，是一項稱(chēng)之為阻抗匹配的核心射頻技術(shù)。這確實(shí)像兩個(gè)不等電阻之間的濾波器設計(每種設計方案都有其伴隨的虛部需要加以考慮)。一般是用L和C來(lái)完成的，而非體積龐大、成本高昂的變壓器。除微波頻段外，其中的變壓器體積不大、價(jià)格也不高，不過(guò)當導體靠得太近的時(shí)候，會(huì )造成諧振波峰。

　　現在回到我們最初討論的問(wèn)題。為什么一個(gè)(設計合理的)雙端接濾波器有如此出色的“靈敏度”屬性?這是因為對濾波器通帶內的一個(gè)或者有時(shí)多個(gè)頻率，它工作在功率傳輸的最大可能點(diǎn)上。請再次觀(guān)察圖6和圖7。在雙端接濾波器情況下，組件值的任何變化只會(huì )讓功率傳輸(隨之為電壓增益)下降而非上升。在被稱(chēng)之為反射零點(diǎn)的特定關(guān)鍵頻率上，濾波器響應的“靈敏度”與網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)無(wú)功部分呈拋物線(xiàn)函數的下行段關(guān)系。這樣就很難讓網(wǎng)絡(luò )的響應比沒(méi)有應用功率傳輸約束的時(shí)候更差。后者狀況指的是單端接的時(shí)候，或者任何濾波器的設計響應未能滿(mǎn)足最大功率增益值的時(shí)候。要得到最大功率增益值，可以?huà)侀_(kāi)濾波器，使用變壓比較為合適的理想變壓器。

　　還有一個(gè)問(wèn)題。我們在開(kāi)始的時(shí)候曾經(jīng)比較過(guò)兩種濾波器，其中一種濾波器的負載電阻與信源電阻相等，另一個(gè)則沒(méi)有負載電阻。我們能否在盡可能大的給定信源電阻和負載電阻比率下成功設計出低靈敏度、等頻率響應的濾波器?有時(shí)候是可以的，但具體到我們的低通濾波器則不能。對于具體的響應，我們要求平坦的響應，讓DC增益與那些“觸點(diǎn)”最大值相等。這就意味著(zhù)在該極低靈敏度濾波器中，信源電阻和負載電阻必須等值。對于更加普遍的情況，如果不需要對通過(guò)的0頻率或者無(wú)窮頻率施加特定的衰減，通?？梢栽O計出任意兩個(gè)阻抗間的最低靈敏度(即理想匹配)濾波器。至于如何實(shí)現，足夠寫(xiě)上幾本書(shū)，不過(guò)初學(xué)者就不用看了。