RF滤波器的基础知识.pptx

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1、 一、引言1.1 滤波器的基本概念1.2 滤波器的分类1.3 滤波器的综合方法1.4 滤波器的发展历史与趋势第1页/共94页 1.1 滤波器的基本概念在射频/微波系统中通常需要把信号频谱中有用的几个频率信号分离出来而滤除无用的其他频率信号，完成这一功能的设备称为滤波器。第2页/共94页在无线通信系统中，滤波器是一种关键的射频部件。滤去镜频干扰、衰减噪声，频分复用用于高性能的振荡、放大、倍频、混频电路有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构RF/微波滤波器是指通带范围在射频与微波频段的滤波器。第3页/共94页RF/微波频段划分第4页/共94页 无线通信发射/接收系统第5页/共94页 1.2 滤波器的分

2、类通常采用工作衰减LA来描述滤波器的幅值特性。根据衰减特性不同，滤波器通常分为低通、高通、带通和带阻滤波器。第6页/共94页n 滤波器按结构分类无源滤波器有源滤波器LC滤波器晶体和陶瓷滤波器机械滤波器分布参数滤波器RF有源滤波器数字滤波器滤波器第7页/共94页n RF/微波滤波器的综合方法很多，可以概括为分布参数法 影象参数法 网络综合法 集总参数法 1.3 滤波器的综合方法第8页/共94页“分布参数法”是根据插入衰减或插入相移函数，直接应用传输线或波导理论，找出微波滤波器元件结构。“影象参数法”是以影象参数为基础，将低频网络理论设计出的等效电路中的各个元件，用微波结构来模拟。“网络综合法”是

3、以衰减或相移函数为基础，利用网络综合理论，先求出集总元件低通原型电路（利用适当的频率变换函数，可变换为所需要的高通、带通、带阻），然后，再将集总元件原型电路中各元件用微波结构来实现。第9页/共94页 1.4 通信领域滤波器的发展历史1910，载波电话系统推动滤波器的发展；1915，Wagner滤波器设计，随后，Zobel,Foster,Cauer,Norton 系统研究了集中元件滤波器设计方法；1933，Mason石英晶体滤波器；1940，基于传递函数的精确滤波器综合方法；50年代，分布元件（同轴、波导）滤波器。代表人物：Cohn,Levy,Matthaei。第10页/共94页70年代，微波集

4、成电路的发展带动了集成滤波器（微带、带状线）发展；80年代，低损耗材料的突破使得非金属滤波器（介质、陶瓷）的应用成为可能；90年代以来，移动和卫星通信的发展，要求小体积、低损耗、高选择性滤波器，因此，准椭圆滤波器（具有有限传输零点）成为研究热点。同时，出现各种致力小型化的特种材料滤波器（超导、三维、LTCC).第11页/共94页二、RF/微波滤波器的综合2.1 滤波器综合过程2.2 低通原型滤波器2.3 低通原型滤波器的传递函数2.4 典型低通原型滤波器综合2.5 频率变换第12页/共94页 2.1 滤波器综合过程第13页/共94页2.2 低通原型滤波器低通原型滤波器是指元件值和频率都归一化的

5、低通滤波器。元件值归一化是对源电阻或导纳归一化。频率归一是对截止频率归一化。集总参数的低通原型滤波器（简称低通原型）是设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通和带阻滤波器的传输特性都是根据此原型特性变换而来。第14页/共94页第15页/共94页 2.3 低通原型滤波器的传递函数理想的滤波特性，用有限个元件的电抗网络是无法实现的。实际的滤波器只能逼近理想滤波器的衰减特性。第16页/共94页因此，在综合滤波器时，首先要确定一个逼近理想滤波器特性的传递函数，然后再根据传递函数综合具体的电路结构。一个无源无耗滤波器的传递函数的振幅的平方定义为：对于线性时不变网络，传递函数可以定义成有理函数的形式：对于一

6、个给定的传递函数，滤波器的插入损耗响应为：第17页/共94页在无源无耗的二端口网络中 ,滤波器的回波损耗为如果有理传递函数是已知的，则滤波器的相位响应为滤波器的群延迟响应为：第18页/共94页对于衰减特性，选取传递函数首先应满足下面的性质：（1）（2）在满足上述性质的基础上，再考虑电路的可实现性，就可以确定具体传递函数。实用中广泛使用的传递函数有：最平坦型、切比雪夫型、椭圆函数型、。第19页/共94页 最平坦最平坦(Butterworth)(Butterworth)响应响应最平坦型传递函数的插入损耗为该函数的特点是在0处的函数值、一阶、二阶、直至n阶导数均为零。有理传输函数为没有有限的频率零点

7、，所有零点都在无限远处，而极点在左半平面的单位圆的等角点上。第20页/共94页最平坦响应和极点分布Butterworth响应在零点附近与理想的低通滤波器近似得最好，而在接近于截止频率时，最差。第21页/共94页 Chebyshev响应n Chebyshev响应传递函数的振幅平方为式中 波纹常数，由给定的通带波纹 确定 是n阶第一类Chebyshev函数第22页/共94页Rhodes给Chebyshev滤波器导出一个通用的有理传输函数Chebyshev响应在通带内等波纹，通带外陡峭。与最平坦响应的情况类似，零点在无限远处，但是极点落在左半平面的椭圆上.第23页/共94页Chebyshev响应和极

8、点分布第24页/共94页 椭圆函数响应椭圆函数响应椭圆函数响应的传递函数的振幅平方为式中 ，当 且 时，将在 间振荡。第25页/共94页n 下图是n=4和n=5时的两种典型的振荡曲线。n 比较 中的零点和极点，发现它们刚好成反比，比例常数为 ,若 通带内有等波纹，则阻带必然也会有等波纹。第26页/共94页椭圆函数响应曲线第27页/共94页 高斯高斯(最大平坦群延迟最大平坦群延迟)响应响应高斯响应可以用下面的有理传递函数来近似：式中 该传递函数在零点附近的所有阶群延迟导数为零。该传递函数的多项式与Bessel函数有一定的联系，所以又叫Bessel滤波器。第28页/共94页n 高斯滤波器的选择性比

9、较差，插入损耗近似为n 高斯滤波器的3dB带宽是滤波器的阶的函数，阶数越高，3dB带宽越宽。第29页/共94页高斯滤波器在通带内有一个比较平坦的群延迟，随着滤波器阶数的增加，群延迟就会在一个更大频率范围内平坦。常用一个高阶的高斯滤波器来实现在一个较大的通带内得到平坦群延迟。第30页/共94页2.4 典型低通原型滤波器的综合低通原型滤波器电路图第31页/共94页低通原型滤波器的综合就是在给定响应函数和基本参数的条件下，综合处低通原型滤波器电路的元件数n和电路元件值gi(i=1n)，g0=1。基本参数：通带截止频率c=1带内最大插入损耗LAr （群延迟A）阻带边频s阻带的最小衰减LAs第32页/共

10、94页nButterworth低通原型滤波器u元件值u阶数uButterworth滤波器的网络结构是对称的第33页/共94页Chebyshev低通原型滤波器元件值阶数第34页/共94页n 椭圆函数低通原型滤波器下图是两种比较常用的椭圆函数低通原型滤波器的网络结构第35页/共94页椭圆函数低通原型没有可以直接利用的元件值的公式，可以通过查表得到，如下表所示。椭圆函数滤波器比Chebyshev和Butterworth特性优越。第36页/共94页高斯低通原型滤波器与Butterwoth和Chebyshev滤波器一样，为全极点滤波器，元件值可以通过网络综合得到。如下表所示，高斯滤波器在结构上是不对称的

11、。高阶高斯滤波器的平坦群延迟扩展到插入损耗超过3dB的频率范围。第37页/共94页 2.5 频率变换与阻抗变换低通原型滤波器中，源电阻和截止频率都是归一化的：g0=1,c=1实际滤波器（低通、高通、带通和带阻）的频率特性和元件值，可以通过频率变换和阻抗变换从低通原型滤波器的元件只获得。频率变换就是把低通原型频域映射到实际滤波器的频域。第38页/共94页阻抗变换就是把低通原型滤波器的归一化元件值犯规已为实际滤波器的元件值。定义阻抗比在元件值变换中，频率变换因不同传输特性而不同。阻抗变换却是可以用在任何类型的滤波器中：第39页/共94页低通滤波器的变换n 令截至频率为 c，频率变换为n 应用等衰减

12、条件n与阻抗比结合，有：cscs第40页/共94页低通原型与低通滤波器的元件变换第41页/共94页n低通变换例子n设计一个截止频率为2GHz且源阻抗为50欧的低通滤波器n选择3阶Butterwoth低通原型n角截止频率为n结合阻抗比，可以求得n实际低通滤波器如下图所示：第42页/共94页 高通滤波器的变换高通滤波器的变换频率变换第43页/共94页应用等衰减条件，有元件值变换求C时，g为电感，求L时，g为电容。所以，在低通原型中的电感（电容）变换为高通滤波器中的电容（电感）。第44页/共94页n 电路元件变换图n 通过变换3阶Butterwoth低通原型，得到截止频率为2GHz及终端为50欧的高

13、通滤波器如下图：第45页/共94页 带通滤波器的变换带通滤波器的变换当通带为 ，频率变换第46页/共94页n 应用等衰减条件，有n 低通原型中的电感（电容）g，通过变换可以变成在带通滤波器中为串联（并联）LC谐振回路。n对于串联LC谐振回路，元件值为n对于并联LC谐振回路，元件值为第47页/共94页n电路元件变换图n 3阶Butterwoth低通原型变换成通带为12GHz的带通滤波器的示意图第48页/共94页带阻滤波器的变换n 当阻带为 ，频率变换公式n 带阻滤波器中LC谐振的元件值为：第49页/共94页n 与带通相反，低通原型中的电感（电容）g，通过变换可以变成在带通滤波器中为并联（串联）L

14、C谐振回路n电路元件变换图第50页/共94页下图是一个3阶Butterwoth低通原型变换成通带为1-2GHz的带阻滤波器的示意图第51页/共94页3、RF/微波滤波器的CAD概念3.1 CAD基本概念3.2 CAA3.3 最优化第52页/共94页3.1 CAD的基本概念在 CAD 技术被广泛应用之前，在RF/微波滤波器的设计中必须依靠带有一定盲目性的人工调试(cut and try)，这不但延长了研制周期、增加了成本，也不易达到高指标。CAD 对于缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本起到了极其重要的作用。随着计算机以及 CAD 技术的发展和普及，目前 CAD 已成为滤波器设计的一个必

15、备工具，彻底改变了传统滤波器的设计方法。第53页/共94页传统设计过程第54页/共94页CAD过程第55页/共94页滤波器CAD四个部分综合根据设计指标采用适当的综合方法，设计出电路初步模型建模建立滤波器各种元器件的数学模型，以便计算机处理。通常需要采取各种近似方法和数值方法求解电磁场问题。也可以依靠实验方法。第56页/共94页分析（CAA）对元器件构成的电路进行分析，得出电路响应特性。这一过程包括由电路各元件的网络参数计算出整个电路的网络参数。与电路性能计算相关的另一个问题是电路灵敏度的计算，即计算各设计变量的改变对电路性能的影响。计算结果对于电路容差分析以及最优化都有用处。优化反复修改电路

16、参数以达到预定目标的过程。常用最优化方法主要有两类：直接搜索法和梯度法第57页/共94页基于电路模型的CAA优点很多滤波器一般都是由线性元件组成，基于网络分析的线性仿真软件对于这些滤波器的仿真非常简单而且速度很快。缺点仅在一定频率范围内是比较精确的，超出这个频率范围，可能引起很大的误差。3.2 CAA第58页/共94页举例1第59页/共94页第60页/共94页第61页/共94页基于EM仿真的CAA针对滤波器结构和边界条件，解MAXWELL方程；一般采用数值方法求解矩量法，有限元法，时域有限差分法优点：在很宽的频率范围内，求解比较精确；缺点：计算精度与网格划分的大小相关，网格越粗，精度越差，网格

17、划分越细，精度越高，但耗时越长。第62页/共94页举例2第63页/共94页第64页/共94页第65页/共94页第66页/共94页第67页/共94页常用CAA和CAD软件第68页/共94页 3.3 优化目标函数U()可以是滤波器通带内的插入损耗或回波损耗，也可以是阻带衰减等，如：最优化的目标是使目标函数最小化。第69页/共94页常用优化方法一维最优化方法梯度法直接搜索法空间变换法第70页/共94页四、典型RF/微波滤波器传统同轴腔滤波器第71页/共94页SIR同轴腔滤波器第72页/共94页交叉耦合同轴腔滤波器第73页/共94页同轴介质滤波器第74页/共94页螺旋腔滤波器第75页/共94页波导滤波器第76页/共94页带状线滤波器第77页/共94页微带滤波器第78页/共94页第79页/共94页第80页/共94页第81页/共94页交叉耦合微带滤波器第82页/共94页微带双频滤波器第83页/共94页介质体谐振器第84页/共94页波导介质滤波器第85页/共94页微带介质滤波器第86页/共94页介质腔滤波器第87页/共94页第88页/共94页交叉耦合介质腔滤波器第89页/共94页第90页/共94页第91页/共94页介质同轴腔混合滤波器第92页/共94页LTCC滤波器第93页/共94页感谢您的观看！第94页/共94页