射频电路第五章教案.ppt
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1、射频电路第五章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望01,dB二项式滤波器二项式滤波器切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器01,dB01,dB椭圆函数滤波器椭圆函数滤波器三种低通滤波器的实际衰减曲线三种低通滤波器的实际衰减曲线具有单调的衰减具有单调的衰减曲线,一般比较曲线,一般比较容易实现。若想容易实现。若想在通带和阻带之在通带和阻带之间实现陡峭变化间实现陡峭变化,需使用很多元件需使用很多元件.衰减曲线最陡峭衰减曲线最陡峭,但代价是其通带但代价是其通带和阻带内均
2、有波和阻带内均有波纹。纹。在通带或阻带内在通带或阻带内保持相等的波纹保持相等的波纹幅度,则可得到幅度,则可得到较好的陡峭过渡较好的陡峭过渡衰减曲线。衰减曲线。2 品质因素:品质因素:功率损耗通常被认为是外接负载的功率损耗和滤波器本身功率损耗的总和。功率损耗通常被认为是外接负载的功率损耗和滤波器本身功率损耗的总和。故:故:有功功率有功功率无功功率无功功率10BW3dBBW60dB3dB60dB带带通通纹纹波波带带阻阻衰衰减减插插入入损损耗耗,dB 波纹:波纹:通带内信号的平坦度。通带内信号的平坦度。带宽:带宽:通带内对应通带内对应3dB 频率。频率。矩形系数:矩形系数:60dB与与3dB带宽的带
3、宽的比值。它反映了曲线的陡峭程度。比值。它反映了曲线的陡峭程度。阻带拟制:阻带拟制:常以常以60dB为设计值为设计值 RF 插入损耗:插入损耗:定量描述了功率定量描述了功率响应幅度与响应幅度与0dB基准的差值,即:基准的差值,即:在综合分析滤波器的各种情况时,下列参数至关重要:在综合分析滤波器的各种情况时,下列参数至关重要:3当当RL时:时:为纯一为纯一 阶系统阶系统,H()为传递函数为传递函数 5.1.2 低通滤波器低通滤波器CRV2VGZGZLV1 图示为一阶低通滤波器,设图示为一阶低通滤波器,设ZG=RG,ZL=RL 用四个级连用四个级连ABCD参量网络构成。参量网络构成。则:则:当当时
4、:时:故:故:当当0时:时:具有低通特征具有低通特征4相位关系:相位关系:群群 时时 延:延:衰减系数:衰减系数:频率频率,Hz108109101010610730252015105-2035相位相位,dcg频率频率,Hz108109101010610700-30-40-50-60-70-80-90-10衰减衰减,dBRG=50R=10C=10pFRG=50,R=10,C=10pF我们经常需要设计具有线性相位我们经常需要设计具有线性相位(A)的滤波器,即的滤波器,即 任意常数5 5.1.3 高通滤波器高通滤波器 图示为一阶高通滤波器,设图示为一阶高通滤波器,设ZG=RG,ZL=RL 用四个级连
5、用四个级连ABCD参量网络构成。参量网络构成。则:则:当当时:时:故:故:当当0时:时:LRV2VGZGZLV1RG=50,R=10,L=100nH6 5.1.4 带通和带阻滤波器带通和带阻滤波器 带通滤波器可采用带通滤波器可采用RLC串联或并联串联或并联电路结构。对串联电路:电路结构。对串联电路:CRV2VGZGZLV1L传递函数:传递函数:例例5.1 设设ZL=ZG=50,L=5nH,R=20,C=2pF,求滤波器的频率响应。,求滤波器的频率响应。解:解:频率频率,Hz10910101011107108100-1008060200-20-40-804554035302520151040-6
6、0衰减衰减,dB相位相位,dcg则:则:曲线上升缓慢曲线上升缓慢f0=1.59GHz7对并联电路:对并联电路:则传递函数:则传递函数:衰减衰减,dB相位相位,dcg频率频率,Hz10910101011107108频率频率,Hz1091010101110710814131211871669101520010-10-20-3030 可见可见RLC串联电路换成并联电路以后,则带通电路变成带阻电路,其串联电路换成并联电路以后,则带通电路变成带阻电路,其衰减曲线要陡峭得多。衰减曲线要陡峭得多。8固有品质因素固有品质因素(RE=RG+RL=0,R0):C R总总 VGL外部品质因素外部品质因素(RE=RG
7、+RL0,R=0):有载品质因素有载品质因素(RE=RG+RL0,R0):当当 时电路发生串联谐振,其谐振频率:时电路发生串联谐振,其谐振频率:即:即:由带宽定义:由带宽定义:高高Q时时0故:故:将串联公式中将串联公式中RG,LCCL,VI可得并联公式可得并联公式fUfLf01/21BW9 5.1.5 插入损耗插入损耗 采用网络分析仪测量采用网络分析仪测量Q值比测量阻抗或导纳更容易值比测量阻抗或导纳更容易,所以对串联谐振器:所以对串联谐振器:设传输线在信号端和负载端设传输线在信号端和负载端均处于匹配状态均处于匹配状态(ZL=ZG=Z0)。VGZ0ZGZLZ0CRL并联谐振器:并联谐振器:其中其
8、中 称为归一化频率偏差。称为归一化频率偏差。不插滤波器:不插滤波器:插滤波器后:插滤波器后:则插入损耗:则插入损耗:在谐振状态下在谐振状态下,=0,第一项没有影响,当滤波器偏离谐振时影响明显。,第一项没有影响,当滤波器偏离谐振时影响明显。10其中其中LF称为损耗因素,是设计滤波器衰减特性的关键参数。称为损耗因素,是设计滤波器衰减特性的关键参数。由 :例例5.2 上图Z0=ZL=ZG=50,R=10,L=50nH,C=0.47pF,VG=5V,求各种品质因数及信号源输出功率和谐振状态下负载吸收功率。解:解:fLfUf011 5.2 特定滤波器的实现特定滤波器的实现 5.2.1 巴特沃斯滤波器巴特
9、沃斯滤波器两种结构:两种结构:由于衰减曲线没有任何纹波,称为最大平滑滤波器。由于衰减曲线没有任何纹波,称为最大平滑滤波器。GG=g0=1RG=g0=1g1g2g3gN+1g2g3g1gN+1N 值根据频率值根据频率衰减要求确定衰减要求确定g 值可直接查值可直接查表表5.2 和表和表5.3353025201510 5 0插入损耗,插入损耗,dB归一化频率,归一化频率,0 0.2 0.4 0.6 0.81 1.2 1.4 1.6 1.8 2N=2N=3N=4N=5N=13dB其中N为滤波器的阶数,通常a=1当=1时,IL=3dB为截止频率点。对于低通:对于低通:其中其中g0为波源内电阻或内电导,为
10、波源内电阻或内电导,gm为电感或电容值,为电感或电容值,gN+1为负载电阻或电导值,所有为负载电阻或电导值,所有g值都有表可查。值都有表可查。12表表5.2 最大平滑低通滤波器归一化元件参数最大平滑低通滤波器归一化元件参数g35 0.6180 1.6180 2.0000 1.6180 0.6180 1.0000g1g4g5g6g7g8g9g10g11g2N1 2.0000 1.00002 1.4142 1.4142 1.00003 1.0000 2.0000 1.0000 1.00006 0.5176 1.4142 1.9318 1.9318 1.4142 0.5176 1.00007 0.4
11、450 1.2470 1.8019 2.0000 1.8019 1.2470 0.4450 1.00008 0.3902 1.1111 1.6629 1.9615 1.9615 1.6629 1.1111 0.3902 1.00009 0.3473 1.0000 1.5321 1.8794 2.0000 1.8794 1.5321 1.0000 0.3473 1.000010 0.3129 0.9080 1.4142 1.7820 1.9754 1.9754 1.7820 1.4142 0.9080 0.3129 1.00004 0.7654 1.8478 1.8478 0.7654 1.00
12、00 对于不同的对于不同的N,从图中可找到滤波器衰减,从图中可找到滤波器衰减与频率的对应关系。如与频率的对应关系。如=2,=60dB,N=10.遗憾的是线性相移和陡峭的幅度变化相互冲突遗憾的是线性相移和陡峭的幅度变化相互冲突相应的群时延:相应的群时延:要得到线性相移:要得到线性相移:13 5.2.2 切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器当a=1,=1时:时:-1-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8 -1归一化频率,归一化频率,T2T3T4T1其中归一化频率,归一化频率,0 0.2 0.4 0.6
13、 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 23025201510 5 0插入损耗,插入损耗,dBN=33dB波纹波纹N=2N=1N=4且通带内各点的衰减均在且通带内各点的衰减均在3dB以下,以下,要减小波纹的幅度可适当通过选择要减小波纹的幅度可适当通过选择系数系数 a 来控制。若纹波峰值为来控制。若纹波峰值为RPLdB对于低通:对于低通:显然,波纹曲线均在显然,波纹曲线均在1 之间振荡。之间振荡。则由插入损耗:则由插入损耗:14表表5.4(a)切比雪夫滤波器元件参数(切比雪夫滤波器元件参数(3dB纹波)纹波)g35 3.4817 0.7618 4.5381 0.7618 3.4817 1.
14、0000g1g4g5g6g7g8g9g10g11g2N1 1.9953 1.00002 3.1013 0.5339 5.80953 3.3487 0.7117 3.3487 1.00006 3.5045 0.7865 4.6061 0.7929 4.4641 0.6033 5.80957 3.5182 0.7723 4.6386 0.8039 4.6386 0.7723 3.5182 1.00008 3.5277 0.7745 4.6575 0.8089 4.6990 0.8018 4.4990 0.6073 5.80959 3.5340 0.7760 4.6692 0.8118 4.7272
15、 0.8118 4.6692 0.7760 3.5340 1.000010 3.5384 0.7771 4.6768 0.8136 4.7425 0.8164 4.7260 0.8051 4.5142 0.6091 5.80954 3.4389 0.7483 4.3471 0.5920 5.80953dB纹波纹波3阶阶3种种滤波器滤波器的比较的比较0.5dB纹波纹波15 5.2.3 标准低通滤波器设计的反归一化标准低通滤波器设计的反归一化对高通滤波器:对高通滤波器:=/即可完成比例变换。即可完成比例变换。1.频率变换:频率变换:将归一化频率变换为实际频率,并按比例调整标准电感和标准电容。以满足
16、实际工作频率和阻抗的要求以满足实际工作频率和阻抗的要求,并根并根据标准原型低通变为高通据标准原型低通变为高通 带通或带阻滤波器带通或带阻滤波器.实际电感:实际电感:归一化电抗:归一化电抗:实际电容:实际电容:对低通滤波器:对低通滤波器:=即可完成比例变换。即可完成比例变换。c实际电容:实际电容:归一化电抗:归一化电抗:实际电感:实际电感:c、16对带通滤波器,实现比例变换和平移的函数关系:对带通滤波器,实现比例变换和平移的函数关系:并联参数的变换:并联参数的变换:其中上边频和下边频成反比关系:故:则频率变换关系:则频率变换关系:故并联电感:故并联电感:并联电容:并联电容:串联参数的变换:串联参
17、数的变换:故串联电感:故串联电感:串联电容:串联电容:(5.46)17对于带阻滤波器,通过对于带阻滤波器,通过5.46式的倒数变换可得:式的倒数变换可得:并联电感:并联电感:并联电容:并联电容:串联电感:串联电感:串联电容:串联电容:归一化低通到实际低通、高通、带通和带阻滤波器的变换低通原型低通原型 实际低通实际低通 实际高通实际高通 实际带通实际带通 实际带阻实际带阻(BW)L/L=gkC=gk1/(BW)LcCcC1cL1cL20BWCBWL20BWLBWC(BW)C120(BW)C20并并联联元元件件串串联联元元件件18 2.阻抗变换:阻抗变换:将标准信号源阻抗g0和负载阻抗gN+1变换
18、为实际的源阻抗和负载阻抗。原型低通的源阻抗和负载阻抗除偶阶切比雪夫滤波器外均为1,若实际阻抗为RG,则实际滤波器的元件参数为:例例5.4 设计一个设计一个N=3,带内波纹为,带内波纹为3dB的切比雪夫滤波器。中心频率的切比雪夫滤波器。中心频率2.4GHz,带宽带宽20%,输入、输出阻抗为,输入、输出阻抗为50。解:查表解:查表5.4(a)可得:可得:g0=g4=1,g1=g3=3.3487,g2=0.7117。RLRGL1L3V1C2V2VG实际阻抗:实际阻抗:则:则:19 5.3 滤波器的实现滤波器的实现 工作频率超过500MHz的滤波器用分立元件难以实现,理查兹提出了将一段开路或短路传输线
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- 射频 电路 第五 教案
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