無源濾波器的案例
無源濾波器為什么能濾波？
如果在源和負載之間插入一個無源無耗二端口網絡，使得我們從源向右看去的阻抗，在通帶等于50歐，而阻帶與50歐相差很大（即反射系數很大），這個網絡就有了濾波性能。
所以說濾波器在某種程度上可以看作一個阻抗變換器。
舉個例子說明，在AWR中查看上圖電路的阻抗實部虛部：
取源電阻50歐，查看反射系數（S11）、負載與源功率比（Pratio），有：
通帶內，實部接近50歐，虛部趨于零，也就是負載阻抗接近于源阻抗；反射系數模值趨于零（匹配，全透射），功率傳輸接近50%。
阻帶內，實部接近于零，虛部很大，類似一個純電抗元件，儲能而不耗能；反射系數模值很大，接近于1（全反射），功率傳輸基本為零。
這也就解釋了為什么濾波器在通帶內傳輸功率，而在阻帶內抑制功率的頻率選擇特性了。
－ The End －
展開 干貨 | 基于ANSYS HFSS 諧振濾波器分析
濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器。主要作用是：讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。 濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號，利用這個特性得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。
本文主要介紹如何使用ANSYS HFSS進行諧振濾波器分析。
1.仿真濾波器模式與Q值
1.1 設置求解類型和單位
打開ANSYS Electronics Desktop 2017，點擊主菜單Project下的Insert HFSS Design，打開HFSS模塊，點擊菜單HFSS下的Solution，選擇本征模求解，在菜單Modeler下選擇單位。
展開 你的電子設計基礎知識牢固嗎？來看看這20個硬件問答你能回答出幾個？
3、名詞解釋：耦合、去耦、旁路、濾波。
耦合：兩個本來分開的電路之間或一個電路的兩個本來相互分開的部分之間的交鏈?？墒鼓芰繌囊粋€電路傳送到另一個電路，或由電路的一個部分傳送到另一部分。
去耦：阻止從一電路交換或反饋能量到另一電路，防止發生不可預測的反饋，影響下一級放大器或其它電路正常工作。
旁路：將混有高頻信號和低頻信號的信號中的高頻成分通過電子元器件（通常是電容）過濾掉，只允許低頻信號輸入到下一級，而不需要高頻信號進入。
濾波：濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。
4、什么是競爭與冒險？
邏輯電路中，由于門的輸入信號經過不同的延時，到達門的時間不一致，這種情況叫競爭。由于競爭而導致輸出產生毛刺（瞬間錯誤），這一現象叫冒險。
5、無源濾波器和有源濾波器有什么區別？
無源濾波器由無源器件R、L、C組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。
無源濾波器可分為兩大類：調諧濾波器和高通濾波器。無源濾波器結構簡單、成本低廉、運行可靠性高，是應用廣泛的被動式諧波治理方案。有源濾波器由有源器件（如集成運放）和R、C組成，不用電感L、體積小、重量輕。
有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗很高，輸出電阻很小，構成有源濾波電路后有一定的電壓放大和緩沖作用。集成運放帶寬有限，所以有源濾波器的工作頻率做不高。
6、請問鎖相環由哪幾部分組成？
由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分組成，有的鎖相環還多一個1/N分頻器。
展開 供電系統的諧波是如何產生的？抑制方法又是什么呢？
也可視工程的具體情況，多設幾組濾波器，濾波效果達到原有諧波含量的70%以上，但這要在保護回路上多下功夫，其保護回路也就相對復雜一點了。無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來，組成LC串聯回路，并聯于系統中，LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的?，F在，市場上流通較多采取的濾波方法就是這一種，濾波效果雖差，但成本較低，用戶容易接受。但使用中如果諧振頻率設定得不好，會與系統產生諧振。
有源諧波濾除裝置：有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。
防止并聯電容器組對諧波的放大：在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全?？刹扇〈撾娍?em>器，或將電容器組的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。為了解決無源濾波器和有源濾波器各自存在的缺點,構成比較理想的諧波補償系統,一般將有源濾波器和無源濾波器混合使用。
加裝靜止無功補償裝置：快速變化的諧波源有電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網的電能質量。
展開 
說透互補濾波(1) - 線性互補濾波器從原理到實現
于是你又上網看了無數的互補濾波解讀教程，始終不理解，為什么算法原理和代碼可以沒有任何關系？，那這個算法是怎么寫成代碼的呢？
我直接給出結論吧，造成這樣的原因是因為：
網上大部分互補濾波原理介紹的是傳統的線性互補濾波(Classical Complementary Filters)，
而Mahony用來算解姿態的濾波是經過改進的非線性互補濾波，
非線性互補濾波里有兩種形式：直接互補濾波(Direct complementary filter)和無源互補濾波(Passive complementary filter)，
你在網上看到的開源代碼都是基于無源互補濾波器的顯式誤差版本-顯式互補濾波器(Explicit complementary filter).
你拿著兩個完全不一樣的東西，那肯定對應不上呀。
先從傳感器開始說起
但是我就納悶了，為啥就沒人循序漸進的寫清楚呢？既然沒人那就我來吧。
我有兩路姿態，一個帶有高頻噪聲，一個帶有低頻噪聲，所以我把他們的噪聲分別濾除，然后合并，就得到了沒有噪聲的姿態信息。
我有哪兩路姿態信息呢？
但凡你在網絡上查過資料，他們一定會告訴你，一路陀螺儀的獲取的姿態，一路加計獲取的姿態。
真的是這樣嗎？
那我們先從陀螺儀開始吧，陀螺儀可以獲得三軸角速度，積分一下就可以得到角度，在小角度假設下，這個角度可以認為就是姿態角。
思路沒有任何問題，只是我們可能缺個初始狀態。
我們求速度的時候是：
那我們求角度的時候自然是：
所以如果我們缺個初始狀態angle0，陀螺儀只有在發生轉動的時候才能有數據，所以它是無法提供這個初始狀態angle0的。
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問5
無源濾波器和有源濾波器有什么區別？
無源濾波器由無源器件R、L、C組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。
無源濾波器可分為兩大類：調諧濾波器和高通濾波器。無源濾波器結構簡單、成本低廉、運行可靠性高，是應用廣泛的被動式諧波治理方案。有源濾波器由有源器件（如集成運放）和R、C組成，不用電感L、體積小、重量輕。
有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗很高，輸出電阻很小，構成有源濾波電路后有一定的電壓放大和緩沖作用。集成運放帶寬有限，所以有源濾波器的工作頻率做不高。
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于是你又上網看了無數的互補濾波解讀教程，始終不理解，為什么算法原理和代碼可以沒有任何關系？，那這個算法是怎么寫成代碼的呢？
我直接給出結論吧，造成這樣的原因是因為：
網上大部分互補濾波原理介紹的是傳統的線性互補濾波(Classical Complementary Filters)，
而Mahony用來算解姿態的濾波是經過改進的非線性互補濾波，
非線性互補濾波里有兩種形式：直接互補濾波(Direct complementary filter)和無源互補濾波(Passive complementary filter)，
你在網上看到的開源代碼都是基于無源互補濾波器的顯式誤差版本-顯式互補濾波器(Explicit complementary filter).
你拿著兩個完全不一樣的東西，那肯定對應不上呀。
先從傳感器開始說起
但是我就納悶了，為啥就沒人循序漸進的寫清楚呢？既然沒人那就我來吧。
我有兩路姿態，一個帶有高頻噪聲，一個帶有低頻噪聲，所以我把他們的噪聲分別濾除，然后合并，就得到了沒有噪聲的姿態信息。
我有哪兩路姿態信息呢？
但凡你在網絡上查過資料，他們一定會告訴你，一路陀螺儀的獲取的姿態，一路加計獲取的姿態。
真的是這樣嗎？
那我們先從陀螺儀開始吧，陀螺儀可以獲得三軸角速度，積分一下就可以得到角度，在小角度假設下，這個角度可以認為就是姿態角。
思路沒有任何問題，只是我們可能缺個初始狀態。
我們求速度的時候是：
那我們求角度的時候自然是：
所以如果我們缺個初始狀態angle0，陀螺儀只有在發生轉動的時候才能有數據，所以它是無法提供這個初始狀態angle0的。
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9、電抗器（進線電抗器、出線電抗器）
進線電抗器：減少由變頻器濾波電容引起的電壓尖峰而產生的諧波分量（5次、7次、11次）；加在線路中的濾波電感會增強變頻器的抗干擾性。
出線電抗器：增加驅動器到電機的電纜長度。（由于電纜長度增加，電纜對地電容無法忽略）
10、濾波器
功能：減少EMC電磁干擾，電磁干擾分低頻和高頻兩種，一般加在控制回路或者PLC回路。
分為有源濾波器和無源濾波器，無源濾波器一般適用大功率，有源一般適用于小容量的。
11、電阻
制動電阻：制動電阻的阻值和功率需要計算核實；制動電阻阻值過大，容易造成直流母線過電壓；制動電阻阻值過小容易導致制動單元過熱燒壞制動單元。
12、接線端子
接線端子一般分為兩種，一種對應O型接線鼻子，一種對應針型接線鼻子；
特殊端子：雙層聯通端子、雙層不聯通端子、熔斷器端子、二極管端子等；
常用端子附件：固定器、端板、標記號、標記座、橋接件；
13、電線、電纜
電線為單芯，電纜有單芯或多芯；電纜的結構一般包含：導體、絕緣、填充物、護套、屏蔽層、加強芯等
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3
濾波器的類型
如果濾波器通過低頻并阻止高頻，則稱為低通濾波器。如果它阻擋低頻并通過高頻，它就是一個高通濾波器。還有帶通濾波器，其僅通過相對窄的頻率范圍，以及帶阻濾波器，其僅阻擋相對窄的頻率范圍。
還可以根據用于實現電路的組件類型對濾波器進行分類。無源濾波器使用電阻、電容、電感；這些組件不具備提供放大的能力，因此無源濾波器只能維持或減小輸入信號的幅度。另一方面，有源濾波器既可以濾波信號又可以應用增益，因為它包括有源元件，如晶體管或運算放大器。
基于流行的Sallen-Key拓撲結構的有源低通濾波器
4
RC低通濾波器
為了創建無源低通濾波器，我們需要將電阻元件與電抗元件組合在一起。
換句話說，我們需要一個由電阻器和電容器或電感器組成的電路。
從理論上講，電阻 - 電感（RL）低通拓撲在濾波能力方面與電阻 - 電容（RC）低通拓撲相當。
但實際上，電阻 - 電容版本更為常見，因此本文的其余部分將重點介紹RC低通濾波器。
RC低通濾波器
如圖所示，通過將一個電阻與信號路徑串聯，并將一個電容與負載并聯， 可以產生RC低通響應。
在圖中，負載是單個組件，但在實際電路中，它可能更復雜，例如模擬到數字轉換器，放大器或示波器的輸入級，用于測量濾波器的響應。
如果我們認識到電阻器和電容器形成與頻率相關的分壓器，我們可以直觀地分析RC低通拓撲的濾波動作。
重新繪制RC低通濾波器，使其看起來像分壓器
當輸入信號的頻率低時，電容器的阻抗相對于電阻器的阻抗高; 因此，大部分輸入電壓在電容器上（和負載兩端，與電容器并聯）下降。
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無源濾波器和有源濾波器有什么區別？
無源濾波器由無源器件R、L、C 組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。
無源濾波器可分為兩大類：調諧濾波器和高通濾波器。無源濾波器結構簡單、成本低廉、運行可靠性高，是應用廣泛的被動式諧波治理方案。
有源濾波器由有源器件（如集成運放）和R、C 組成，不用電感L、體積小、重量輕。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。
集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗很高，輸出電阻很小，構成有源濾波電路后有一定的電壓放大和緩沖作用。集成運放帶寬有限，所以有源濾波器的工作頻率做不高。
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請問鎖相環由哪幾部分組成？
由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。
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無源濾波器和有源濾波器有什么區別？
無源濾波器由無源器件R、L、C 組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。
無源濾波器可分為兩大類：調諧濾波器和高通濾波器。無源濾波器結構簡單、成本低廉、運行可靠性高，是應用廣泛的被動式諧波治理方案。
有源濾波器由有源器件（如集成運放）和R、C 組成，不用電感L、體積小、重量輕。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。
集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗很高，輸出電阻很小，構成有源濾波電路后有一定的電壓放大和緩沖作用。集成運放帶寬有限，所以有源濾波器的工作頻率做不高。
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請問鎖相環由哪幾部分組成？
由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。
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變頻器應用中的發熱噪聲諧波問題及應對措施
抑制干擾源上的高次諧波的方式有：
1)增加變頻器供電電源內阻抗通常電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用，內阻抗越大，諧波含量越小，這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此，選擇變頻器供電電源時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。
2)安裝濾波器在變頻器前加裝LC型無源濾波器，濾掉高次諧波，通常濾掉5次和7次諧波。
3)安裝電抗器在變頻器前側安裝線路電抗器，可抑制電源側過電壓。
4)設置有源濾波器有源濾波是自動產生一個與諧波電流的幅值相同且相位正好相反的電流，從而可以有效地吸收諧波電流。
2.2 對噪聲與振動問題的處理
1)當變頻器輸出中的低次諧波分量與轉子固有機械頻率發生諧振時，則噪聲增大;當變頻器輸出中的高次諧波分量與鐵芯、機殼、軸承架等，在各自固有頻率附近處發生諧振時，則噪聲增大。
變頻器傳動電動機產生的噪聲特別是刺耳的噪聲與PWM控制的開關頻率有關，尤其在低頻區更為顯著。要解決這一問題，一般在變頻器輸出側連接交流電抗器。如果電磁轉矩有余量，可將u/f設定小些，以平抑和降低噪聲。
2)變頻器工作時，輸出波形中的高次諧波引起的磁場對許多機械部件產生電磁策動力，策動力的頻率與這些機械部件的固有頻率接近或重合時將發生諧振。對振動影響大的主要是較低次的諧波分量，在PAM方式和方波PWM方式時有較大的影響。但采用SPWM方式時，低次的諧波分量小，影響亦變小。
減輕或消除振動的方法是在變頻器輸出側接人交流電抗器以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。采用PAM方式或方波PWM方式的變頻器時，可改用SPWM方式變頻器，以減小脈動轉矩，就可以減弱或消除振動，防止機械部分因振動而受損。
2.3 對發熱問題的處理
通用變頻器的運行環境溫度一般要求在-l0℃～+50℃。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產生極大的模場失配，進而產生較大的插入損耗。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個系統性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且帶寬較窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實現較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結構是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態尺寸，無法完全限制入射模，相當大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當錐形寬度變大時，它可以支持整個模式，并將電磁場整體限制在錐形內部。總的來說，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器3丨仿真流程
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設計端面耦合器，到參數優化以實現模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創建耦合面，但其優勢在于能提供較大的工作帶寬。
本期文章參考文獻[1]設計了一個基于絕緣體上硅（SOI）結構的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進/出傳統SMF-28光纖，工作中心波長為1550 nm，其結構示意圖如圖1所示。
圖1 （a）端面耦合器結構示意圖；（b）橫截面示意圖
如上圖所示，該端面耦合器包含3個 層，且硅波導采用倒錐形結構，用于將光場擴展成更大的波導模式，使其與光纖模式更兼容。此外， 層的有效折射率由亞波長光柵控制，即高折射率（ ）和低折射率（ ）材料的交替條帶。該器件的品質因數（FOM）是波導模式和光纖模式之間的耦合效率，它是有效折射率失配和模式尺寸失配的函數。在此示例中，重點是優化光纖位置和倒錐形波導的長度。對于倒錐形波導的設計，使用本征模擴展（EME）方法，因為它允許在掃描器件長度或器件的任何部分時立即重新計算S矩陣結果，不需重復運行仿真。設計過程包括以下5個主要步驟：
利用FDE對光纖位置進行優化。利用EME對無基底的倒錐形波導長度進行優化。加入基底，利用EME進行最終優化。S參數提?。哼\行以獲取作為波長函數的S參數并將結果導出到數據文件。緊湊模型創建：將S參數數據導入INTERCONNECT。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產生極大的模場失配，進而產生較大的插入損耗。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個系統性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且帶寬較窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實現較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結構是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態尺寸，無法完全限制入射模，相當大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當錐形寬度變大時，它可以支持整個模式，并將電磁場整體限制在錐形內部?？偟膩碚f，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
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