滤波器
一种选频装置
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滤波器（filter）[2]作为一种选频装置，能够高效地允许信号中特定频率成分通过，同时显著衰减其他频率成分。[1]其工作原理是在设定的通频带内，衰减程度较小，从而确保能量的顺畅传输；而在通频带之外，衰减程度急剧增加，有效抑制了非必要能量的传递。因此，滤波器能够有效滤除与所需传输信号频率不符的干扰成分。[6]此外，依据滤波器的结构、集成度[7]、通带位置[8]和处理信号等特征，[9]可划分为FIR滤波器、IIR滤波器、元件滤波器、集成滤波器等多种类型。[10][7]
滤波器技术起源于1915年，德国科学家瓦格纳（Wagner）和美国科学家坎贝尔（Canbell）的发明。[11][12]到了20世纪50年代，数字滤波电路和z变换 微积分的出现为滤波器理论带来了重大突破。1965年，单片集成运算放大器的问世使得有源RC滤波器得以实现。[13][14]随着集成线性元件、混合集成电路和全集成电路的不断发展，滤波器设计逐渐变得更为高效和紧凑。20世纪80年代后，滤波器进入了全集成系统时代，1983年通过MOS晶体管的线性区实现的压控电阻，成功推动了MOSFET-C全集成滤波器的诞生。[11]1999年，卡梅尔龙（Cammeronn）提出了任意阶数和任意传输零点的综合方法，这一方法极大地拓展了滤波器设计的可能性，并实现了滤波器的小型化。2003年，卡梅尔龙再次通过结合源-负载耦合与交叉耦合技术，进一步提升了滤波器的性能。到了2012年，电子科技大学尉旭波博士提出了混合电磁耦合技术，为滤波器设计领域带来了新的突破。[12]
常见的滤波器设计方法有基于网络综合的设计[15]、基于优化技术的设计[16]以及基于脉冲响应的设计等。[17]滤波器的响应类型多样，包括巴特沃斯（Butterworth）响应、切比雪夫（Chebyshev）响应和椭圆函数（Elliptic Function）响应。[18]在信号处理过程中，由于传感器采集的原始信号常含有各种噪声成分，滤波器的作用显得尤为重要。它能有效滤除这些噪声，特别是高频或低频噪声，从而显著提升信号质量。经过滤波处理后的有效信号，将变得更加清晰、准确，为后续的数据分析和处理提供可靠的支撑。[19]常见的参数特性有中心频率、截止频率、通带带宽、插入损耗等，[20]基于滤波器的设计方法与特性常应用于电力系统[3]、光通信系统[4]和运动控制器等多个领域。[5]随着半导体领域向以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料方向发展，滤波器的未来发展将更加注重其高频性能、小型化设计以及节能化发展。[21]