微波滤波器设计教程文件.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。微波滤波器设计-微波滤波器设计系别：信息与通信工程系专业：通信工程姓名：程斌指导教师：杨曙辉【摘要】微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它是一种对频率具有选择性的二端口网络，用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。本设计的目标是掌握微波带通滤波器的基本设计方法，并设计出1.2G2.0Ghz微波带通滤波器。【关键词】微波带通滤波器微波谐振器导纳变换器AnsoftDesigner1.引言微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分

2、离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L和电容C）构成的谐振回路来实现。但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显著，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。微波元件种类很多。按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、

3、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。滤波器种类很多。按作用分有低通、高通、带通、带阻滤波器；按插入衰减频率特性的响应有最大平坦式、切比雪夫式和椭圆函数式滤波器等；按传输线类型分有波导型、同轴型、带状型和微带型滤波器；按工作方式分有反射式、接收式等；按应用分类有可调、固定调谐；按加载方式有单终端、双终端等；按带宽分有窄带、中带和宽带滤波器等等，还有许多种按设计方法的分类。常见滤波器分为以下几类：1）直接耦合或1/4波长耦合谐振器滤波器这是一种端耦合滤波器，它应用于同轴线、带状线、波导各种形式他的设计方法有基于集总元件低通原型和基于阶梯阻抗变换器

4、原型。前者适用于相对带宽较小和中等通带波纹的窄带带通滤波器的设计，后者适用于相对带宽较大和较小通带波纹的宽带带通滤波器的设计。2）平行耦合式带通滤波器这是边耦合滤波器，它有开路耦合线和短路耦合线两种对偶形式。可用于窄带或者宽带都行，但阻带特性不是很好，会出现寄生通带。3）交指型带通滤波器这种滤波器结构紧凑，性能优良，适用于各种带宽的结构和设计方法。它由终端短路和终端开路两种形式，前者适用于窄带，后者适用于宽带。4）梳状线带通滤波器这是一种更为紧凑的滤波器，谐振器长度取决于加载电容的大小，衰减特性不对称，主要适用窄带设计。5）带阻滤波器波导型带阻滤波器只适用于窄带。TEM带阻滤波器适用于各种带宽

5、的的优良结构而且设计方法简单准确。6）椭圆函数型滤波器椭圆函数型响应是最好的，通带阻带均为等波纹，且陡度大。由于它的阻带衰减极点可以控制，常用来做谐波抑制器。2微波谐振器和转量变换器从低频带通滤波器电路中，我们很容易看出：带通滤波器由两个基本结构组成串联谐振器和并联谐振器。当设计微波带通滤波器的时候，用一般方法我们很难在工艺上实现它，因此得采用转量变换器。21微波谐振器211传输线传输线理论又称为一维分布参数电路理论，是微波电路设计和计算的理论基础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用，在微波网络分析中相当的重要。由传输线上的电压和电流决定的传输线阻抗是分布参数阻抗，即微波阻抗是分布

6、参数阻抗，而低频阻抗是集总参数阻抗。微波阻抗是与导行系统上导波的反射或驻波特性密切相关的，不能直接测量，学要借助于反射参量或者驻波参量的直接测量而间接测量。1）特性阻抗Z0传输线上行波的电压与电流之比定义为传输线的特性阻抗，用Z0表示，其倒数为传输线的特性导纳，用Y0表示。2）传播常数传播常数是描述导行波沿导行系统传播过程中的衰减和相位变化的参量，通常为复数：=+j。其中，为衰减常数，为相位常数。3）分布参数阻抗根据电磁场理论，传输线上任一点d的阻抗Zin(d)定义为该点的电压与电流之比。传输线任一点d的阻抗与该点的位置d和负载阻抗ZL有关，d点的阻抗可看成由d处向负载看去的输入阻抗。传输线阻

7、抗随位置而变，分布于沿线各点，且与负载有关，是一种分布参数阻抗。212谐振器滤波器是由耦合结构和谐振电路组成。在微波领域中，谐振电路可以用合适的谐振腔来实现，它具有动态储能、频率选择的作用。微波谐振器是一种电磁振荡系统，实质上是其中的电、磁能量相互交替转化。在谐振角频率上，腔中的电场能量的振幅恰恰等于磁场能量的振幅，在理想（无耗）的情况下，不需要外界的影响，二者相互交替变化，在时间上无穷尽地进行下去而保持总能量为常数；而当偏离谐振频率时这一状态便受到破环，一个周期平均的结果，或者是电能大于磁能，或者是磁能大于电能，因而彼此不可能自行转化，故不能再孤立的腔中存在，这也是谐振器的选频特性的物理本质

8、。由此可见微波谐振器的动态储能和选频特性与集总参数谐振回路本质是相同的。同轴、微带线和带状线均可等效双导线，因而它们构成的单模传输线型谐振器可等效于双导线段构成的谐振器。1）谐振原理微波谐振器又称为微波谐振腔，它是微波电路的基本元件之一，用来构成滤波器、波长计、雷达回波箱等。它相当于低频电路中的LC回路。当工作频率升高到分米波段以上时主要由于以下两方面的原因使集总参数的LC谐振回路需由谐振腔来代替。a.回路辐射损耗、导体的欧姆损耗、介质损耗都增加，使其品质因数降低，谐振阻抗减小，因而很难保证足够的选择性。b.为了使回路的谐振频率提高到微波阶段，需要很小的电容和电感，这将带来制造工艺上的困难，而

9、且功率容量也降低，回路储能减少。微波谐振器也可以看成是集总参数谐振器演变而来。随着频率f的升高，电感L和电容C值的减小，一方面可以加大电容器极板之间的距离，另一方面减小线圈的圈数来达到。当电感减小到只剩下一根导线尚不能满足要求时，就得用多根导线并联，在极限情况下就构成了一个封闭的空腔，这就是微波空腔谐振器。谐振腔的种类很多，大致可归纳为两类：一类是由一段微波传输线构成的，叫传输线型谐振腔，如矩形腔、圆柱形腔、同轴型腔、微带腔、介质谐振器等；另一类叫非传输线型谐振腔，如环形腔、球形腔等。2）谐振器的基本参数虽然微波谐振器振荡实质和低频RLC回路完全相同，但其基本特性参量却不一样，用来描叙微波谐振

10、器的基本参数是谐振波长、品质因数和等效电导。a.谐振波长谐振波表征微波谐振器的谐振规律，即表示微波谐振器内振荡存在的条件，它与谐振器形状尺寸和工作模式有关。b.品质因数Q0品质因数Q0表征微波谐振系统的频率选择性，表示谐振器的储能与损耗之间的关系。其定义为（1）式中，W代表谐振器储能，WT代表一周期内谐振器的能量损耗，P1代表一周期内的平均损耗功率。c等效电导等效电导表征谐振系统的功率损耗特性。在实用中，为了工程计算的方便，常把单模工作的谐振器在不太宽的频带内等效为振荡回路，用等效电导或者损耗电阻来表示谐振器的功率损耗。3）等效谐振电路在谐振频率附近，以单模工作的微波谐振器通常可用串联或者并联

11、RLC集总元件等效电路来模拟。a串联谐振电路如图1所示，图1串联谐振电路其输入阻抗为（2）传送给谐振器的复功率为（3）电阻R的耗散功率为（4）电感电容的平均磁场储能为（5）（6）当平均储能相等时，产生谐振。谐振频率为(7)Q值是谐振电路损耗的量度，较低的损耗意味着有较高的Q值。串联谐振电路的Q值(8)考虑；滤波器的半功率百分带。当频率变化使得|Zin|2=R2/2,传输给电路的平均实功率为谐振的一半。如果令BW表示百分带宽，则有(9)二分之一波长终端短路及它的整数倍长度的微波传输线就可以等效为一串联谐振器，称为半波长串联谐振器。由四分之一波长终端开路线及它的奇数倍长度的微波传输线，也可等效为一

12、串联谐振器，称为1/4波长串联谐振器。这两种都是简单的串联微波谐振器。b并联谐振电路并联谐振电路如图2，其输入阻抗为(10)图2并联谐振电路与串联谐振情况一样，(11)(12)二分之一波长终端开路及它的整数倍长度的微波传输线就可以等效为一并联谐振器，称为半波长并联谐振器。由四分之一波长终端短路线及它的奇数倍长度的微波传输线，也可等效为一并联谐振器，称为1/4波长并联谐振器。这两种都是简单的并联微波谐振器c有载Q值和外部Q值上述Q值只是谐振电路本身的特性，而没有计外部电路的负载，称其为无载Q值。实用的谐振电路不可能不与其他电路耦合，结果使整个谐振电路的Q值降低。与外电路耦合的谐振器Q值称之为有载

13、Q值，如图所示。图3与外电路耦合的谐振器电路示意图当外部负载电阻为RL时，若谐振电路为串联电路，有效电阻为R+RL；若谐振电路为并联电路，等效电阻为RRL/（R+RL）。4）微波谐振器的分类微波谐振器大致分为三种：传输线谐振器、金属波导谐振器、介质谐振器。传输线谐振器是利用不同长度和端接的TEM传输线构成，包括同轴线谐振器、带状线谐振器、微带线谐振器等。同轴线谐振器的优点是振荡模式简单，具有稳定的场结构，工作可高，频带宽，但Q值比较低，常用作精度要求不高的宽频带波长计。微带线谐振器的Q值要比同轴线谐振器的高，通常做成体效应管等的振荡电路。传输线的结构形式有两端短路/2线型（等效为串联谐振器），

14、一端开路一端短路/4线型（等效为并联谐振器），两端开路/2线型（等效为串联谐振器）三种。金属波导谐振器是由两段短路的金属波导段做成的，常用的矩形波导谐振腔和圆形波导谐振腔。介质谐振器是由高介电常数、低损耗的介质材料制成的微波谐振器。它的Q值高，稳定性好，而且体积小，重量轻。同轴谐振器由于开路端会引起电磁能量的辐射，一般伸长外导体长度就可以避免，而在内导体内部上切掉一圈金属形成开路也可以得到同样效果。这种结构既保证了电磁波被禁锢在谐振腔内，又实现了一端开路一端电容加载的设计，同时还有利于样品培体的大批量生产。但考虑到短路时工艺实现的困难，我们还是设计为端口开路。四分之一波长滤波器开口段并非真正的

15、开路，电磁能量要从开口端辐射出去，因此品质因数很低，为了防止辐射，可将外导体圆柱延长，构成截止波导，使其终端场强衰减到很小，在那里放置端盖影响不大。这样，同轴线谐振腔已为金属包围，没有任何辐射损耗，因此缩短截止波导的长度不会导致人和辐射损耗，端盖的存在只是对腔的场分布和谐振频率有影响。当端盖离内导体很近时，在端盖和内导体间有很强的电场，相当于在同轴线的开路端接上一个电容，成为具有缩短电容的谐振器。改变同轴腔的长度，可以方便地改变谐振腔的谐振频率。同轴谐振腔中传输的主要是TEM模电磁波，为避免一些高次模和寄生模的传输，同轴谐振器的外形尺寸必须满足一定的条件。5）谐振器的激励与耦合谐振器的激励与耦

16、合是一个问题的两个方面。激励是给谐振器产生电磁波能量，而耦合是从谐振器中取出电磁波能量。原理是相同的。在这里仅仅讲激励。实现它的方法大致有三类：电激励、磁激励和电磁激励。所谓电激励是应用某种装置，在谐振器中首先激励其所需模式的电场的某一个分量；所谓磁激励是应用某种装置，在谐振器中首先激励其所需模式的磁场的某一个分量；所谓电磁激励是在谐振器中同时激起所需模式的电场和磁场的某一个分量。无论是哪种模式，都必须知道谐振器中场分布，不仅所需模式的场分布要了解，而且对干扰场的场模式也必须有一定的了解。前者是为了激励它，后者是为了不使干扰模被激励。三种激励装置的具体形式，决定了振荡器与外电路结构形式。磁激励

17、一般用直接激励，电激励用探针激励，电磁激励用环激励。2.2倒量变换器在带通或带阻滤波器中，它的串、并臂是由串联谐振电路或者并联谐振电路所组成的，但在具体的微波电路结构中，将多个串联、并联谐振器汇合到一个节点上是极为困难的。带通或者带阻滤波器之所以有两种不同的性质的谐振电路，其原因是由于低通原型的串、并臂元件的电抗性质不同所致。如果低通原型电路中只有串臂或者只有并臂，经过频率变换以后的带通、带阻滤波器只有一种性质的谐振电路，这在微波结构中就便于实现了。为此我们必须将原来的低通原型进行变换，使之变成只含有一种性质的电抗元件（电感或者电容），这种只含有一种电抗元件的低通原型称之为变形低通原型。而倒量

18、变换器（或称为倒置变换器）就是其这种作用。倒量变换器是一个理想的1/4波长变换器。图2-4是变换器的原理图。K、J为常数，分别是变换器的特性阻抗和特性导纳。图-4倒量变换器如果(13)（14)则这种网络分别称为阻抗倒量变换器（简称K变换器）和导纳倒量变换器(简称J变换器)。带有倒量变换器的低通原型滤波器成为变形低通原型滤波器。倒量变换器有多种实现方法，这里介绍常用的几种。i电长度=（2n-1）/2（即四分之一波长）的均匀传输线（n=0，+1，+2，）。ii一个并联感抗jX或者一个串联容纳jB与两段电长度为/2的传输线级联。iii终端开路的平行耦合线节，等效为两端加接电长度为的均匀传输线的倒量变

19、换器，如图2-5。iv两段传输线与一个T形网络级联，等效为一个阻抗倒量变换器。v型网络等效于J变换器。图5开路耦合线构成的J变换器3微波带通滤波器的基本设计方法31微波滤波器的技术指标微波滤波器的主要技术指标有五项：1）截止频率；带宽2）通带内最大插入衰减LP（dB）插入衰减是这样定义的：输入端入射波功率为，反射波功率为，负载吸收功率为Pl，如果滤波器本身是无耗的，则有Pi-Pr=Pl，插入衰减为L=Pi/Pl=1/(1-|2)。式中为输入端电压发射系数，是频率的函数。3）带外插入衰减（dB）及其对应的带外频率。对于相同的，愈大，表示带外插入衰减频率特性曲线愈陡。4）寄生通带。因为微波滤波器采

20、用分布参数元件，这些元件的电抗或者电纳值随着频率的变化，不仅数值上在变化，而且在性质上也在变化，原来的等效电感变成了等效电容，反之亦然。故在阻带内又会出现通带，这就是寄生通带。设计时应使寄生通带尽量远离需要抑制的频率。5）群延时。对于一个具体的微波滤波起来说，上述四项并不一定都要加以限制，可根据实际用途之规定其中几项。32微波带通滤波器的设计前面已经讨论过了有低通原型到带通滤波器的频率变化，可以看出，带通滤波器的技术指标应包括：中心频率f0，上下边频率f1、f2，相对带宽W，通带内最大损耗LP，以及阻带最小损耗LS。一个微波带通滤波器的设计程序为：第一，当带通滤波器的插入衰减频率特性给定后，首

21、先用频率变换函数把带通滤波器的插入衰减频响曲线变换成低通原型的插入衰减频响曲线，并根据低通原型的插入衰减特性决定各元件的归一化g参数值。第二，依据实现起来方便的原则，把低通原型转化为两种变形低通原型滤波器中的一种，并决定其电路参数。第三，把变形原型滤波器的LK（或者CK）再变换成带通滤波器中的串联（或者并联）谐振电路。第四，用微波结构实现上述电路的变换器和支路元件，确定其结构形状和尺寸。33逼近函数任何实际滤波器不可能完全满足理想曲线，我们只能尽可能使实际滤波器的系统函数接近理想曲线。给定了指标之后，我们设计出逼近的系统函数。最常用的逼近函数有最平行响应特性滤波器或者称之为巴特沃思滤波器。最平

22、行响应特性滤波器的幅频特性模平方为（15）其中N是滤波器的阶数；c是滤波器的截止角频率，当时，=1/2，所以c是滤波器的电压-3dB点或称半功率点。这种幅频特性具有一些特点：1）最平坦性，可以证明在=0点，它的前（2N-1）阶倒数都等于零，这表示巴特沃思滤波器在=0附近一段范围内是非常平直的，它以原点的最大平坦性来逼近理想低通滤波器。2）通带、阻带下降单调性。这种滤波器具有良好的相频特性。3）3dB的不变性：随着N的增加，频率边缘下降越陡峭，越接近理想特性。但是不管N是多少，幅频特性都通过-3dB点。当c时，特性以20NdB/dec速度下降。用巴特沃思滤波特性对理想低通滤波器逼近时，在通带内误

23、差分布是不均匀的，靠近频带边缘误差最大，而切比雪夫I型滤波器逼近原则就是使通带内误差均匀分布。这种滤波器的幅频特性模平方为（16）式中是决定通带内起伏大小的波纹参数，是第一类切比雪夫多项式。切比雪夫滤波器的滤波特性具有以下特点：1）所有曲线在=c时通过点，因而把c定义为切比雪夫滤波器的截止角频率。2）在通带内|/c|1，在1和之间不变化，在通带外，|/c|1，特性呈单调下降，下降速度为20NdB/dec。3）内误差均匀。4）滤波器通带内有起伏，因而使通带内的相频特性也有相应的起伏波动，相位非线性，所以要求群延时为常数时不宜采用这种滤波器。切比雪夫I型式是通带内等波纹，若阻带内呈等波纹变化，则称

24、之为切比雪夫II型，若通带阻带都呈等波纹变化，则称之为椭圆滤波器。以上讨论的两种逼近函数都是从满足设计者幅频特性要求给出的，在工程应用中按此种要求建立的逼近函数还有切比雪夫II型和椭圆函数型等逼近方式。此外，还可以从相频特性的要求寻找逼近函数，如逼近线性相位（最平群延时特性）的贝塞尔滤波器以及为补偿系统非线性相移而引出的各种均衡器等。4微波滤波器的实现采用微带耦合线设计微波谐振器和J变换器（如图6）图6耦合线构成的微波带通滤波器5.结束语本设计中介绍了微波滤波器的设计方法，并着重介绍了微波带通滤波器的设计。采用J变换器的方法，改变普通的低通原型滤波器模型，仅仅用倒量变换器和微波谐振器实现带通滤

25、波器，还用软件具体设计了1.2G2.0Ghz微波带通滤波器。通过这次设计，巩固了以前学的电路和微波知识。参考文献1张肃文，陆兆熊.高频电子线路M.北京:高等教育出版社，2004:18-842高文焕，刘润生.电子线路基础M.北京:高等教育出版社，2002:518-5213郑君里，应启航，杨为理.信号与系统M.北京:高等教育出版社，2002:182-2094程佩青.数字信号处理M.北京:清华大学出版社，2004:273-2785盛振华.电磁场微波技术与天线M.西安:西安电子科技大学出版社，2004:146-1566范寿康，卢春兰，李平辉.微波技术与微波电路M.北京:北京机械工业出版社，2003:139-1647顾其诤.微波集成电路设计M.北京:人民邮电出版社，2001:P135-1568罗德、尼科.无线应用射频微波电路设计M.北京:电子工业出版社，2003:53-589M.Makimoto，S.Yamashita.无线通信中的微波谐振器与滤波器：理论、设计与应用M.北京:国防工业出版社，2002:53-9210Temes.现代滤波器理论与设计M.北京:人民邮电出版社，1984:147-185-