射频微波滤波器.pptx

射频微波滤波器射频微波滤波器(2)(2)(2)(2)插入损耗插入损耗插入损耗插入损耗:滤滤波波器器在在系系统统内内引引入入的的损损耗耗。通通带带内内的的最最大大损损耗耗包包括括构构成成滤滤波波器器的的所所有有元元件件的的电电阻阻性性损损耗耗（如如电电感感、电电容容、导导体体、介介质质的的不不理理想想）和和滤滤波波器器的的回回波波损损耗耗（两两端端电电压压驻驻波波比比不不为为1 1）。插插入损耗限定了工作频率和使用场合的两端阻抗。入损耗限定了工作频率和使用场合的两端阻抗。(3)(3)(3)(3)带内纹波带内纹波带内纹波带内纹波:插插入入损损耗耗的的波波动动范范围围。带带内内纹纹波波越越小小越越好好,否否则则会会增增加加通通过过滤滤波波器器的的不不同同频频率率信信号号的的功功率起伏。率起伏。第1页/共55页 (4)(4)(4)(4)带外抑制带外抑制带外抑制带外抑制:规规定定滤滤波波器器在在什什么么频频率率上上会会阻阻断断信信号号,也也可可用用带带外外滚滚降降来来描描述述,就就是是规规定定滤滤波波器器通通带带外外每每多多少少频频率率下下降降多多少少分分贝贝。滤滤波波器器的的寄寄生生通通带带损损耗耗越越大大越越好好,也也就就是是谐谐振振电电路路的的二二次、次、三次等高次谐振峰越低越好。三次等高次谐振峰越低越好。(5)(5)(5)(5)承受功率。承受功率。承受功率。承受功率。在在大大功功率率发发射射机机末末端端使使用用的的滤滤波波器器要要按按大大功功率率设设计计,元元件件体体积积要要大大,否否则则,会会击击穿打火穿打火,发射功率急剧下降。发射功率急剧下降。第2页/共55页其他指标其他指标其他指标其他指标 (1)(1)(1)(1)阻带频率阻带频率阻带频率阻带频率(2)(2)(2)(2)品质因数品质因数品质因数品质因数 (3)(3)(3)(3)关于线性相位关于线性相位关于线性相位关于线性相位群时延群时延线性相位特性可用如下相位响应达到线性相位特性可用如下相位响应达到是电压传递函数的相位，是电压传递函数的相位，p p是常数是常数第3页/共55页无失真传输的关键：无失真传输的关键：第4页/共55页7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 滤波器的原理滤波器的原理滤波器的原理滤波器的原理双双端端口口网网络络,设设从从一一个个端端口口输输入入一一具具有有均均匀匀功功率率谱谱的的信信号号,信信号号通通过过网网络络后后,在在另另一一端端口口的的负负载载上上吸吸收收的的功功率率谱谱不不再再是是均均匀的匀的,即网络具有频率选择性。即网络具有频率选择性。图图7-1 7-1 滤波器特性示意图滤波器特性示意图第5页/共55页通通常常采采用用工工作作衰衰减减来来描描述述滤滤波波器器的的衰衰减特性减特性,即即P Pinin和和P PL L分分别别为为滤滤波波器器的的输输入入功功率率和和负负载载吸吸收收功功率率。频频率率不不同同,式式(7-1)(7-1)的的数数值值也也不不同同,这这就就是是滤滤波波器器的的衰衰减减特特性性。根根据据衰衰减减特特性性,滤滤波波器器分分为为低低通通、高高通通、带带通通和和带带阻阻四四种种。这这四四种种微微波波滤滤波波器的特性都可由低通原型特性变换而来。器的特性都可由低通原型特性变换而来。(7-1)第6页/共55页 为为了了描描述述衰衰减减特特性性与与频频率率的的相相关关性性,通通常常使使用用数数学学多多项项式式来来逼逼近近滤滤波波器器特特性性。最最平平坦坦型型用用巴巴特特沃沃士士(Butterworth),(Butterworth),等等波波纹纹型型用用切切比比雪雪 夫夫(Tchebeshev),(Tchebeshev),陡陡 峭峭 型型 用用 椭椭 圆圆 函函 数数 型型(Elliptic)(Elliptic)，等延时用高斯多项式（，等延时用高斯多项式（GaussianGaussian）。）。表表7-1 7-1 四种滤波器函数四种滤波器函数第7页/共55页第8页/共55页 匹匹配配网网络络、定定向向耦耦合合器器、滤滤波波器器中中常常用用两两种种响响应应特特性，即巴特沃思响应和切比雪夫响应。性，即巴特沃思响应和切比雪夫响应。巴特沃思响应为切比雪夫响应为简单的响应为为等波纹幅度为n阶切比雪夫多项式第9页/共55页7.1.3 7.1.3 7.1.3 7.1.3 滤波器的设计方法滤波器的设计方法滤波器的设计方法滤波器的设计方法(1)(1)(1)(1)经经经经典典典典方方方方法法法法：即即低低通通原原型型综综合合法法,先先由由衰衰减减特特性性综综合合出出低低通通原原型型,再再进进行行频频率率变变换换和和阻阻抗抗变变换换,最最后后用用微微波波结结构构实实现现电电路路元元件件。需需结结合合数数学学计计算算软软件件(如如MATLABMATLAB等等)和和微微波波仿真软件。仿真软件。(2)(2)(2)(2)软软软软件件件件方方方方法法法法:先先由由软软件件商商依依各各种种滤滤波波器器的的微微波波结结构构拓拓扑扑做做成成软软件件,使使用用者者再再依依指指标标挑挑选选拓拓扑扑、仿仿真真参参数数、调调整整优优化。化。第10页/共55页7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 滤波器的四种低通原型滤波器的四种低通原型滤波器的四种低通原型滤波器的四种低通原型滤滤波波器器低低通通原原型型为为电电感感电电容容网网络络。元元件件数数和和元元件件值值只只与与通通带带结结束束频频率率、衰衰减减和和阻阻带带起起始始频频率率、衰减有关。衰减有关。图图 7-27-2巴特沃士、切比雪夫、巴特沃士、切比雪夫、高斯多项式的电路结构高斯多项式的电路结构第11页/共55页图图 7-3 7-3 椭圆函数低通原型电路结构椭圆函数低通原型电路结构第12页/共55页1.1.1.1.巴特沃士巴特沃士巴特沃士巴特沃士已已知知带带边边衰衰减减、归归一一化化频频率率c c=1=1、截截止止衰衰减减L LAsAs和和归归一一化化截截止止频频率率s s,可可求求得得元元件件数数n n和查得元件值。和查得元件值。2.2.切比雪夫切比雪夫已知带边衰减与波纹指标LAr、归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,同样可求得元件数n和查得元件值。第13页/共55页最大平坦式滤波器的衰减与归一化截止频率的关系纵坐标为阻带最小衰减第14页/共55页等波纹滤波器的衰减与归一化截止频率的关系（波纹0.5dB）第15页/共55页等波纹滤波器的衰减与归一化截止频率的关系（波纹3dB）第16页/共55页3.3.3.3.椭圆函数椭圆函数椭圆函数椭圆函数 已已知知带带边边衰衰减减与与波波纹纹指指标标L LArAr、归归一一化化频频率率c c=1=1、截截止止衰衰减减L LAsAs和和归归一一化化截截止止频频率率s s,阻阻带带波波纹与通带波纹相同，元件数目和值都查表得到。纹与通带波纹相同，元件数目和值都查表得到。4.4.高斯多项式高斯多项式在现代无线系统中,会遇到保持频带内群延时平坦的场合。方法同前，需注意电路元件不对称。第17页/共55页保保证证频频带带内内群群延延时时平平坦坦的的代代价价是是牺牺牲牲衰衰减减指指标标。随随频频率率的的提提高高衰衰减减明明显显增增加加,延延时时不不变变。曲曲线线表表明明,元元件件数数多多比比元元件件数数少少时时指指标标要要好些。好些。图图 7-4 7-4 最平坦延时型低通原型特性最平坦延时型低通原型特性第18页/共55页7.1.5 7.1.5 7.1.5 7.1.5 滤波器的四种频率变换滤波器的四种频率变换滤波器的四种频率变换滤波器的四种频率变换由由低低通通原原型型滤滤波波器器经经过过频频率率变变换换,可可得得到到低低通通、高高通通、带带通通、带带阻阻四四种种实实用用滤滤波波器器。定定义义阻抗因子为阻抗因子为g g0 0为电阻为电阻 g g0 0为电导为电导 1.1.低通变换低通变换 低通原型向低通滤波器的变换关系和变换实例如图示。三节巴特沃士原型的c=1,Z0=50,边频fc=2GHz。第19页/共55页变变换换过过程程为为：选选择择图图7-27-2（b b）所所示示原原型型,查查表表7-27-2可可得得,g g0 0=g=g4 4=1.0,g=1.0,g1 1=g=g3 3=1.0H,=1.0H,g g2 2=2.0F=2.0F。已已知知0 050,50,c c=2f=2fc c,由由图图7-57-5（a a）中中变变换换关关系系计算得计算得 L L1 1=L=L3 3=3.979nH,C=3.979nH,C2 2=3.183pF=3.183pF。图图 7-5 7-5 低通原型向低通滤波器的变换关系低通原型向低通滤波器的变换关系第20页/共55页2.2.2.2.高通变换高通变换高通变换高通变换低通原型向高通滤波器的变换关系和低通原型向高通滤波器的变换关系和变换实例见图示。三节巴特沃士原型的变换实例见图示。三节巴特沃士原型的c c=1,=1,Z Z0 0=50,=50,边频边频f fc c=2GHz,=2GHz,计算结果见图计算结果见图7-6(b)7-6(b)。图图 7-6 7-6 低通原型向高通滤波器的变换关系低通原型向高通滤波器的变换关系第21页/共55页 3.3.3.3.带通变换带通变换带通变换带通变换 低低通通原原型型向向带带通通滤滤波波器器的的变变换换关关系系和和变变换换实实例例见见图图示示。三三节节巴巴特特沃沃士士原原型型的的c c=1,=1,Z Z0 0=50,=50,通带通带FBW=1FBW=12 GHz2 GHz。4.4.带阻变换带阻变换 低通原型向带阻滤波器的变换关系和变换实例如图示。三节巴特沃士原型的c=1,Z0=50,阻带FBW=12GHz。第22页/共55页图图 7-7 7-7 低通原型向带通滤波器的变换关系低通原型向带通滤波器的变换关系 第23页/共55页图图7-8 7-8 低通原型向带阻滤波器的变换关系低通原型向带阻滤波器的变换关系第24页/共55页7.1.6 7.1.6 7.1.6 7.1.6 滤波器的微波实现滤波器的微波实现滤波器的微波实现滤波器的微波实现四四种种射射频频/微微波波滤滤波波器器的的实实现现方方式式有有集集总总元元件件L-CL-C型型和和传传输输线线型型。所所用用微微波波传传输输线线基基本本结结构构有有波波导导、同同轴轴线线、带带状状线线和和微微带带等等。用用传传输输线线实实现现电电感感、电电容容值值只只能能是是近近似似的的。加加工工误误差差、表表面面处处理理、材材料料损损耗耗等等因因素素迫迫使使射射频频/微波滤波器的研发必须有实验调整。微波滤波器的研发必须有实验调整。实实现现滤滤波波器器的的基基本本单单元元是是谐谐振振器器。有有微微带带谐振、腔体谐振、介质谐振等。谐振、腔体谐振、介质谐振等。第25页/共55页TEM带线谐振器的等效电路带线谐振器的等效电路第26页/共55页第27页/共55页7.2 7.2 集总参数滤波器集总参数滤波器7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 集总元件低通滤波器集总元件低通滤波器集总元件低通滤波器集总元件低通滤波器 设设计计一一个个L-CL-C切切比比雪雪夫夫型型低低通通滤滤波波器器,截截止止频频率率为为75MHz,75MHz,衰衰减减为为3dB,3dB,波波纹纹为为1dB,1dB,频频率率大大于于100MHz,100MHz,衰减大于衰减大于20dB,Z20dB,Z0 0=50=50。步步步步骤骤骤骤一一一一:确确定定指指标标:特特性性阻阻抗抗Z Z0 0=50,=50,截截止止频频率率f fc c=75MHz,=75MHz,阻阻带带边边频频f fs s=100MHz,=100MHz,通通带带最最大衰减大衰减L LArAr=3dB,=3dB,阻带最小衰减阻带最小衰减L LAsAs=20dB=20dB。第28页/共55页步步步步 骤骤骤骤 二二二二:计计 算算 元元 件件 级级 数数 n,n,令令 ,n n取最接近的整数取最接近的整数,则则n=5n=5。步骤三步骤三步骤三步骤三:查表求原型元件值查表求原型元件值g gi i。表表 7-67-6原型元件值原型元件值第29页/共55页表表 7-77-7实际元件值实际元件值步骤四步骤四步骤四步骤四:计算变换后元件值，实际元计算变换后元件值，实际元件值取整数件值取整数步骤五步骤五:画出电路并仿真特性。第30页/共55页7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 集总元件带通滤波器集总元件带通滤波器集总元件带通滤波器集总元件带通滤波器设计一个设计一个L-CL-C切比雪夫型带通滤波切比雪夫型带通滤波器器,中心频率为中心频率为75MHz,3dB75MHz,3dB带宽为带宽为10MHz,10MHz,波纹为波纹为1dB,1dB,工作频带外工作频带外7515MHz7515MHz的衰减大于的衰减大于30dB,Z30dB,Z0 0=50=50。第31页/共55页步骤一步骤一步骤一步骤一:确定指标确定指标:特性阻抗特性阻抗 Z Z0 0=50=50 上上通通带带边边频频 f f1 1=75+5=80=75+5=80 MHzMHz 下下通通带带边边频频 f f2 2=75-5=70=75-5=70 MHzMHz 上上阻阻带带边边频频 f=75+15=90 f=75+15=90 MHzMHz 下下 阻阻 带带 边边 频频 f=75-f=75-15=60MHz15=60MHz 通带内最大衰减通带内最大衰减 L LArAr=3dB=3dB 阻带最小衰减阻带最小衰减 L LAsAs=30dB=30dB 第32页/共55页步骤二：步骤二：步骤二：步骤二：计算相关参数计算相关参数:第33页/共55页 步骤三步骤三步骤三步骤三:计算元件节数计算元件节数n n。令。令 n n取整数取整数3 3。步骤四步骤四步骤四步骤四:计算原型元件值计算原型元件值g gi i。第34页/共55页 步步步步 骤骤骤骤五五五五:画画出出电电 路路 并并 仿仿真。真。第35页/共55页7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器1.1.1.1.切比雪夫低通及相关讨论切比雪夫低通及相关讨论切比雪夫低通及相关讨论切比雪夫低通及相关讨论设设计计一一个个三三阶阶微微带带低低通通滤滤波波器器,截截 止止 频频 率率 f f1 1=1GHz,=1GHz,通通 带带 波波 纹纹 为为 0.1dB,0.1dB,阻阻 抗抗Z Z0 0=50=50。步骤一步骤一步骤一步骤一:三节低通原型元件值为三节低通原型元件值为 g g0 0=g=g4 4=1,g=1,g1 1=g=g3 3=1.0316,=1.0316,g g2 2=1.1474=1.1474。步骤二步骤二:进行低通变换,得到 7.3 7.3 各种微带线滤波器各种微带线滤波器 第36页/共55页步骤三步骤三步骤三步骤三:微带实现。微带实现。(1)(1)(1)(1)微微微微带带带带高高高高低低低低阻阻阻阻抗抗抗抗线线线线。高高阻阻抗抗线线近近似似于于电感电感,低阻抗线近似于电容。低阻抗线近似于电容。微微带带基基板板参参数数为为10.8/1.27,10.8/1.27,波波导导波波长长对对应应截截止止频频率率为为1.0GHz,1.0GHz,取取高高、低低阻阻抗抗线线的的特特性性阻阻抗抗分分别为别为Z Z0L0L=93,Z=93,Z0C0C=24=24。表表 7-9 7-9 微带线参数微带线参数第37页/共55页高高、低低阻阻抗抗线线的的物物理理长长度度可可以以由由以以下下公公式式得到：得到：考考虑虑低低阻阻抗抗线线的的串串联联电电抗抗和和高高阻阻抗抗线线的的并并联联电电纳纳,高、低阻抗线的长度可调整为高、低阻抗线的长度可调整为第38页/共55页解得到解得到l lL L=9.81mm,l=9.81mm,lC C=7.11mm=7.11mm。图图 7-13 7-13 高、低阻抗线低通滤波器高、低阻抗线低通滤波器(a)(a)滤波器微带结构滤波器微带结构;(b);(b)特性曲线特性曲线GHz第39页/共55页第40页/共55页第41页/共55页五节低通滤波器电路布局五节低通滤波器电路布局第42页/共55页(2)(2)(2)(2)微微微微带带带带枝枝枝枝节节节节线线线线。用用高高阻阻抗抗线线实实现电感现电感,开路枝节实现电容开路枝节实现电容,有有考虑不连续性考虑不连续性,应满足应满足 第43页/共55页解解得得l lC C=6.28mm,=6.28mm,考考虑虑开开路路终终端端缩缩短短效应效应(0.5mm),(0.5mm),故故l lC C=6.28-0.5=5.78mm=6.28-0.5=5.78mm。图图 7-14 7-14 枝节线低通滤波器枝节线低通滤波器(a)(a)滤波器微带结构滤波器微带结构;(b);(b)特性曲线特性曲线第44页/共55页第45页/共55页两两种种三三节节切切比比雪雪夫夫滤滤波波器器在在阻阻带带远远区区的的特特性性仿仿真真结结果果显显示示：尽尽管管通通带带内内两两个个结结构构基基本本一一致致,但阻带内阶梯阻抗线特性明显不如开路枝节滤波器。但阻带内阶梯阻抗线特性明显不如开路枝节滤波器。图图 7-15 7-15 两种结构的阻带仿真两种结构的阻带仿真第46页/共55页为为了了改改善善阻阻带带特特性性,提提高高滚滚降降指指标标,可用七节实现可用七节实现,原型变换后元件值为原型变换后元件值为 Z Z0 0=50,C=50,C1 1=C=C7 7=3.7596pF=3.7596pF L L2 2=L=L6 6=11.322nH,C=11.322nH,C3 3=C=C5 5=6.6737pF=6.6737pF L L4 4=12.52nH=12.52nH表表 7-10 7-10 微带枝节设计的两组取值微带枝节设计的两组取值 第47页/共55页图图 7-16 7-16 七节切比雪夫滤波器七节切比雪夫滤波器第48页/共55页第49页/共55页 从从微微带带枝枝节节设设计计的的两两组组取取值值结结果果看看出出,L-C,L-C低低通通的的性性能能最最好好,设设计计1 1性性能能次次之之,设设计计2 2性性能能最最差差。设设计计1 1尺尺寸寸基基本本接接近近集集总总元元件件,设设计计2 2中中高高阻阻线线长长度度在在2.86GHz2.86GHz时时近近似似等等于于二二分分之之一一波波导导波波长长,发发生生谐谐振振引引起起滤滤波波器器的的寄寄生生通通带带,降降低低了了阻阻带带指指数数。因因此此,微微带带滤滤波波器器的的拓拓扑扑结结构构没没有有绝绝对对的的优优劣劣,设设计计滤滤波波器器时时要要多多方方面面充充分分比比较较各各种种参参数数,既既要要照照顾顾电电气气指指标标,还还要要考考虑虑加加工工可可行性行性,才能得到一个良好的方案。才能得到一个良好的方案。第50页/共55页2.2.2.2.椭圆函数滤波器实例椭圆函数滤波器实例椭圆函数滤波器实例椭圆函数滤波器实例图图示示为为六六节节椭椭圆圆函函数数滤滤波波器器的的原原型型和和微微带带结结构构实实例例尺尺寸寸及及仿仿真真结结果果。从从概概念念上上理理解解,仍仍然然是是高高阻阻抗抗线线近近似似于于电电感感,低低阻阻抗抗线线近近似似于于电电容。容。图图 7-17 7-17 椭圆函数原型椭圆函数原型第51页/共55页该原型的元件值和实际值为该原型的元件值和实际值为g g0 0=g=g7 7=1.000,g=1.000,gL1L1=g=g1 1=0.8214=0.8214g gL2L2=g=g22=0.3892,g=0.3892,gL3L3=g=g3 3=1.1880=1.1880g g4 4=g=g44=0.7413,g=0.7413,gL5L5=g=g5 5=1.1170=1.1170g gC2C2=g=g2 2=1.0840,g=1.0840,gC4C4=g=g4 4=0.9077=0.9077g gC6C6=g=g6 6=1.1360=1.1360 L L1 1=6.53649nH=6.53649nH，L L2 2=3.09716nH=3.09716nHL L3 3=9.45380nH=9.45380nH，L L4 4=5.89908nH=5.89908nHL L5 5=8.88880nH=8.88880nH，C C2 2=3.45048pF=3.45048pFC C4 4=2.88930pF=2.88930pF，C C6 6=3.61600pF=3.61600pF第52页/共55页用微带实现用微带实现,元件值为元件值为 Z Z0C0C=14,Z=14,Z0 0=50,Z=50,Z0L0L=93=93 W WC C=8.0 mm,=8.0 mm,W W0 0=1.1 mm,W=1.1 mm,WL L=0.2 mm=0.2 mm gCgC(f(fc c)=101 mm,)=101 mm,g0g0=112 mm,=112 mm,gLgL(f(fc c)=118 mm)=118 mm，gCgC(f(fp1p1)=83)=83 mm,mm,gLgL(f(fp1p1)=97mm)=97mm gCgC(f(fp2p2)=66mm,)=66mm,gLgL(f(fp2p2)=77mm)=77mm第53页/共55页图图 7-18 7-18 微带椭圆函数低通滤波器微带椭圆函数低通滤波器第54页/共55页