第6章 射频滤波器的设计(吉大通信).ppt

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1、 第第6 6章章射频滤波器的设计射频滤波器的设计 射频电路许多有源和无源部件都没有获得精射频电路许多有源和无源部件都没有获得精确的频率特性，因而在设计射频系统时通常会加确的频率特性，因而在设计射频系统时通常会加入滤波器，以非常精确地实现预定的频率特性。入滤波器，以非常精确地实现预定的频率特性。滤波器是一个二端口网络，允许所需要频率的信滤波器是一个二端口网络，允许所需要频率的信号以最小可能的衰减通过，同时衰减不需要频率号以最小可能的衰减通过，同时衰减不需要频率的信号。的信号。镜像参量法和插入损耗法都可以用来设计滤镜像参量法和插入损耗法都可以用来设计滤波器，现今大多数滤波器是采用插入损耗法设计波器

2、，现今大多数滤波器是采用插入损耗法设计的，因其可以得到完整的频率响应。本章讲述采的，因其可以得到完整的频率响应。本章讲述采用插入损耗法设计滤波器。用插入损耗法设计滤波器。当频率不高时，滤波器可以由集总元当频率不高时，滤波器可以由集总元件的电感和电容构成，但当频率高于件的电感和电容构成，但当频率高于500MHz时，电路寄生参数的影响不可忽略，时，电路寄生参数的影响不可忽略，滤波器通常由分布参数元件构成。滤波器通常由分布参数元件构成。用插入损耗法设计滤波器，得到的是用插入损耗法设计滤波器，得到的是集总元件滤波电路，频率高时需要将集总集总元件滤波电路，频率高时需要将集总元件滤波电路变换为分布参数电路

3、实现。元件滤波电路变换为分布参数电路实现。本章首先讨论滤波器的类型；然后用插本章首先讨论滤波器的类型；然后用插入损耗法设计低通滤波器原型入损耗法设计低通滤波器原型;进而通过滤进而通过滤波器变换将低通滤波器原型变换为各种类波器变换将低通滤波器原型变换为各种类型的集总元件滤波器；最后讨论将集总元型的集总元件滤波器；最后讨论将集总元件滤波器变换为各种分布参数滤波器。件滤波器变换为各种分布参数滤波器。滤波器的类型滤波器的类型6.1用插入损耗法设计低通滤波器原型用插入损耗法设计低通滤波器原型6.2滤波器的变换滤波器的变换6.3短截线滤波器的实现短截线滤波器的实现6.4阶梯阻抗低通滤波器阶梯阻抗低通滤波器

4、6.5耦合微带线滤波器耦合微带线滤波器6.66.1 6.1 滤波器的类型滤波器的类型6.1 6.1 滤波器的类型滤波器的类型滤波器有低通滤波器、高通滤波器、滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器和带阻滤波器4种基本类型。种基本类型。理想滤波器是不存在的，实际滤波器理想滤波器是不存在的，实际滤波器与理想滤波器有差异。实际滤波器既不能与理想滤波器有差异。实际滤波器既不能实现通带内信号无损耗地通过，也不能实实现通带内信号无损耗地通过，也不能实现阻带内信号衰减无穷大。现阻带内信号衰减无穷大。以低通滤波器为例，实际低通滤波器以低通滤波器为例，实际低通滤波器允许低频信号以很小的衰

5、减通过滤波器，允许低频信号以很小的衰减通过滤波器，当信号频率超过截止频率后，信号的衰减当信号频率超过截止频率后，信号的衰减将急剧增大。将急剧增大。图图6.1 4种理想滤波器种理想滤波器6.2 6.2 用插入损耗法设计用插入损耗法设计 低通滤波器原型低通滤波器原型低通滤波器原型是设计滤波器的基础，低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数元件滤波器，可以根据低通以及分布参数元件滤波器，可以根据低通滤波器原型变换而来。滤波器原型变换而来。本节用插入损耗作为考察滤波器的指本节用插入损耗作为考察滤波器的指标，讨论低通滤波器原型

6、的设计方法。标，讨论低通滤波器原型的设计方法。在插入损耗法中，滤波器的响应是用在插入损耗法中，滤波器的响应是用插入损耗表征的。插入损耗定义为来自源插入损耗表征的。插入损耗定义为来自源的可用功率与传送到负载功率的比值，用的可用功率与传送到负载功率的比值，用dB表示的插入损耗定义为表示的插入损耗定义为 插入损耗可以选特定的函数，随所需插入损耗可以选特定的函数，随所需的响应而定，常用的有通带内最平坦、通的响应而定，常用的有通带内最平坦、通带内有等幅波纹起伏、通带和阻带内都有带内有等幅波纹起伏、通带和阻带内都有等幅波纹起伏和通带内有线性相位等幅波纹起伏和通带内有线性相位4种响应种响应的情形，对应这的情

7、形，对应这4种响应的滤波器称为巴特种响应的滤波器称为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器和线性相位滤波器。滤波器和线性相位滤波器。6.2.1 巴特沃斯低通滤波器原巴特沃斯低通滤波器原型型如果滤波器在通带内的插入损耗随频如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器，也称为最平坦滤波器。特沃斯滤波器，也称为最平坦滤波器。对于低通滤波器，最平坦响应的数学对于低通滤波器，最平坦响应的数学表示式为表示式为 图图6.2 低通滤波器的最平坦响应低通滤波器的最平坦响应 图图6.3 低通巴特沃斯

8、滤波器衰减随频率变化的对应关系低通巴特沃斯滤波器衰减随频率变化的对应关系 2.低通滤波器原型低通滤波器原型 滤波器可以由集总元件电感和电容构滤波器可以由集总元件电感和电容构成。考虑图成。考虑图6.4所示的二元件电路，是一个所示的二元件电路，是一个低通滤波器，下面将对最平坦响应推导出低通滤波器，下面将对最平坦响应推导出图中元件图中元件L和和C的值。的值。采用低通滤波器原型，假定其源阻抗采用低通滤波器原型，假定其源阻抗为为1，截止频率为，截止频率为c=1。由式（由式（6.2），当），当N=2时最平坦响应为时最平坦响应为 图图6.4 二元件低通滤波器原型二元件低通滤波器原型 用同样的方法可以求出用同

9、样的方法可以求出N元件低通滤元件低通滤波器原型的元件取值。波器原型的元件取值。图图6.5 低通滤波器原型电路低通滤波器原型电路 6.2.2 切比雪夫低通滤波器原切比雪夫低通滤波器原型型如果滤波器在通带内有等波纹的响应，如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为这种滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。等波纹滤波器。图图6.6 等波纹低通滤波器的响应等波纹低通滤波器的响应 1.切比雪夫多项式切比雪夫多项式第第N阶切比雪夫多项式是用阶切比雪夫多项式是用TN(x)表示表示的的N次多项式。前次多项式。前4阶切比雪夫多项式是阶切比雪夫多项式是 2.通带和阻带通带和阻带

10、 c是是低通滤波器的阻带低通滤波器的阻带;=c是通带和阻带的是通带和阻带的分界点。分界点。3.低通滤波器原型低通滤波器原型 切比雪夫低通滤波器原型假定源阻抗切比雪夫低通滤波器原型假定源阻抗为为1，截止频率为，截止频率为c=1。图图6.7 切比雪夫滤波器衰减随频率变化的对应关系切比雪夫滤波器衰减随频率变化的对应关系 6.2.3 椭圆函数低通滤波器原椭圆函数低通滤波器原型型最平坦响应和等波纹响应两者在阻带最平坦响应和等波纹响应两者在阻带内都有单调上升的衰减。内都有单调上升的衰减。在有些应用中需要设定一个最小阻带在有些应用中需要设定一个最小阻带衰减，在这种情况下能获得较好的截止陡衰减，在这种情况下能

11、获得较好的截止陡度，这种类型的滤波器称为椭圆函数滤波度，这种类型的滤波器称为椭圆函数滤波器。器。椭圆函数滤波器在通带和阻带内都有椭圆函数滤波器在通带和阻带内都有等波纹响应，如图等波纹响应，如图6.8所示。对于椭圆函数所示。对于椭圆函数滤波器这里不做进一步的讨论，相关内容滤波器这里不做进一步的讨论，相关内容可以查阅参考文献。可以查阅参考文献。图图6.8 椭圆函数低通滤波器的响应椭圆函数低通滤波器的响应 6.2.4 线性相位低通滤波器原线性相位低通滤波器原型型前面前面3种滤波器都是设定振幅响应，种滤波器都是设定振幅响应，但在有些应用中，线性的相位响应比陡峭但在有些应用中，线性的相位响应比陡峭的阻带

12、振幅衰减响应更为关键。的阻带振幅衰减响应更为关键。线性的相位响应与陡峭的阻带振幅衰线性的相位响应与陡峭的阻带振幅衰减响应不兼容，如果要得到线性相位，相减响应不兼容，如果要得到线性相位，相位函数必须有如下特征位函数必须有如下特征 式（式（6.13）表明相位的群时延是最平）表明相位的群时延是最平坦函数。坦函数。6.3 6.3 滤波器的变换滤波器的变换6.3.1 阻抗变换阻抗变换 6.3.2 频率变换频率变换将归一化频率变换为实际频率，相当将归一化频率变换为实际频率，相当于变换原型中的电感和电容值。于变换原型中的电感和电容值。通过频率变换，不仅可以将低通滤波通过频率变换，不仅可以将低通滤波器原型变换

13、为低通滤波器，而且可以将低器原型变换为低通滤波器，而且可以将低通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。下面分别加以讨论。波器和带阻滤波器。下面分别加以讨论。1.低通滤波器原型变换为低通滤低通滤波器原型变换为低通滤波器波器将低通滤波器原型的截止频率由将低通滤波器原型的截止频率由1改改变为变为c（c1），在低通滤波器中需要用），在低通滤波器中需要用/c代替低通滤波器原型中的代替低通滤波器原型中的，即，即 图图6.9 低通滤波器原型到低通滤波器的频率变换低通滤波器原型到低通滤波器的频率变换 图图6.10 例例6.3用图用图 2.低通滤波器原型变换为高

14、通滤低通滤波器原型变换为高通滤波器波器将低通滤波器原型变换为高通滤波器，将低通滤波器原型变换为高通滤波器，在高通滤波器中需要用在高通滤波器中需要用c/代替低通滤代替低通滤波器原型中的波器原型中的，c为高通滤波器的截止为高通滤波器的截止频率，即频率，即 图图6.11 低通滤波器原型到高通滤波器的频率变换低通滤波器原型到高通滤波器的频率变换 3.低通滤波器原型变换为带通和低通滤波器原型变换为带通和带阻滤波器带阻滤波器 低通滤波器原型也能变换到带通和带低通滤波器原型也能变换到带通和带阻滤波器响应的情形。阻滤波器响应的情形。图图6.12示出了低通滤波器原型到带通示出了低通滤波器原型到带通和带阻滤波器的

15、频率变换，图和带阻滤波器的频率变换，图6.12(a)为低为低通滤波器原型响应；图通滤波器原型响应；图6.12(b)为带通滤波为带通滤波器响应；图器响应；图6.12(c)为带阻滤波器响应。为带阻滤波器响应。图图6.12 低通滤波器原型变换到带通和带阻的频率变换低通滤波器原型变换到带通和带阻的频率变换 用用1和和2表示带通滤波器通带的边界，表示带通滤波器通带的边界，将低通滤波器原型变换为带通滤波器，需将低通滤波器原型变换为带通滤波器，需要用下面的频率变换关系要用下面的频率变换关系表表6.5 6.5 从低通滤波器原型到从低通滤波器原型到低通、高通、带通和带阻滤波器的变换低通、高通、带通和带阻滤波器的

16、变换 6.4 6.4 短截线滤波器的实现短截线滤波器的实现前面讨论的滤波器是由集总元件电感前面讨论的滤波器是由集总元件电感和电容构成，当频率不高时，集总元件滤和电容构成，当频率不高时，集总元件滤波器工作良好。波器工作良好。但当频率高于但当频率高于500Mz时，滤波器通常时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值过小，由于寄生参数的影响，如的元件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件。数元件。其二是此时工

17、作波长与滤波器元件的其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。可忽视，需要考虑分布参数效应。本节讨论采用短截线方法，将集总元本节讨论采用短截线方法，将集总元件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理查德（查德（Richards）变换用于将集总元件变）变换用于将集总元件变换为传输线段，科洛达（换为传输线段，科洛达（Kuroda）规则可）规则可以将各滤波器元件分隔。以将各滤波器元件分隔。6.4.1 理查德变换理查德变换 通过理查德变换，可以将集总元件的通过理查德变换，可以将集总

18、元件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元件到分布参数元件的变换。可以实现集总元件到分布参数元件的变换。6.4.2 科洛达规则科洛达规则科洛达规则是利用附加的传输线段，科洛达规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则既可以将串联短截线变换利用科洛达规则既可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上为

19、并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。分开。附加的传输线段称为单位元件。下面附加的传输线段称为单位元件。下面讨论单位元件的构成和科洛达规则。讨论单位元件的构成和科洛达规则。1.单位元件单位元件 单位元件是一段传输线，当单位元件是一段传输线，当f=f0时这时这段传输线长为段传输线长为/8。将单位元件视为将单位元件视为2端口网络，利用式端口网络，利用式（3.25）的结论，可以得到单位元件的）的结论，可以得到单位元件的ABCD矩阵为矩阵为 式中式中ZUE为单位元件的特性阻抗。为单位元件的特性阻抗。2.科洛达规则科洛达规则 科洛达规则包含科洛达规则包含4个恒等关系，这个恒等关系，这4个个恒等关系列于

20、表恒等关系列于表6.6中，表中的电感和电容中，表中的电感和电容分别代表短路和开路短截线。分别代表短路和开路短截线。表表6.6 4个科洛达规则个科洛达规则 6.4.3 滤波器设计举例滤波器设计举例利用理查德变换和科洛达规则，可以利用理查德变换和科洛达规则，可以实现低通和带阻滤波器，实现低通和带阻滤波器，图图6.14 例例6.5用图用图1 图图6.15 例例6.5用图用图2 在设计低通滤波器时，将集总元件转在设计低通滤波器时，将集总元件转换为分布参数元件采用了换为分布参数元件采用了0/8长传输线，长传输线，但这种转换方式不能用于带阻滤波器的设但这种转换方式不能用于带阻滤波器的设计。计。带阻滤波器对

21、应于电路的串联和并联带阻滤波器对应于电路的串联和并联连接方式，在中心频率点必须有最大和最连接方式，在中心频率点必须有最大和最小阻抗，若采用前面定义的小阻抗，若采用前面定义的0/8理查德变理查德变换，在中心频率点换，在中心频率点f=f0处将遇到困难，因为处将遇到困难，因为此时理查德变换中的正切函数为此时理查德变换中的正切函数为1而不是最而不是最大值。大值。图图6.16 例例6.5用图用图3 图图6.17 例例6.5用图用图4 图图6.18 例例6.6用图用图5 图图6.19 例例6.6用图用图6 图图6.20 例例6.6用图用图76.5 6.5 阶梯阻抗低通滤波器阶梯阻抗低通滤波器前面利用理查德

22、变换和科洛达规则，前面利用理查德变换和科洛达规则，用短截线实现了分布参数滤波器。实际上用短截线实现了分布参数滤波器。实际上分布参数滤波器的种类很多，本节讨论的分布参数滤波器的种类很多，本节讨论的阶梯阻抗低通滤波器也是采用分布参数构阶梯阻抗低通滤波器也是采用分布参数构成的。成的。阶梯阻抗低通滤波器是一种结构简洁阶梯阻抗低通滤波器是一种结构简洁的电路，其由很高和很低特性阻抗的传输的电路，其由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现。和实现。6.5.1 短传输线段的近似等效短传输线段的近似等效电路电路为得到短传输线段的近似等效电路，为得到

23、短传输线段的近似等效电路，需要讨论一段传输线的网络参量和集总元需要讨论一段传输线的网络参量和集总元件件T形网络的网络参量，通过这形网络的网络参量，通过这2种网络参种网络参量的对比，可以得到短传输线段与集总元量的对比，可以得到短传输线段与集总元件电感和电容的等效关系。件电感和电容的等效关系。图图6.22 T形网络与一段传输线相的等效形网络与一段传输线相的等效 6.5.2 滤波器设计举例滤波器设计举例 图图6.23 例例6.7用图用图6.6 6.6 耦合微带线滤波器耦合微带线滤波器本节介绍由平行耦合微带传输线构成本节介绍由平行耦合微带传输线构成的滤波器。当的滤波器。当2个无屏蔽的传输线紧靠一起个无

24、屏蔽的传输线紧靠一起时，由于传输线之间电磁场的相互作用，时，由于传输线之间电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称为耦合传输线。称为耦合传输线。平行耦合微带传输线通常由靠得很近平行耦合微带传输线通常由靠得很近的的3个导体构成（如图个导体构成（如图6.24所示），这种结所示），这种结构介质厚度为构介质厚度为d，介质相对介电常数为，介质相对介电常数为r，在介质的下面为公共导体接地板，在介质在介质的下面为公共导体接地板，在介质的上面为的上面为2个宽度为个宽度为W、相距为、相距为S的中心导的中心导体带。体带。图图6.24 平行耦合微带传输线平行耦合微

25、带传输线 平行耦合微带传输线可以构建多种类平行耦合微带传输线可以构建多种类型的滤波器，这些滤波器的带宽通常不超型的滤波器，这些滤波器的带宽通常不超过过20%。本节首先介绍耦合微带线奇偶模。本节首先介绍耦合微带线奇偶模的概念；然后讨论单个四分之一波长耦合的概念；然后讨论单个四分之一波长耦合线段的滤波特性；最后讨论带通耦合微带线段的滤波特性；最后讨论带通耦合微带线滤波器。用耦合微带线构成的其他类型线滤波器。用耦合微带线构成的其他类型滤波器可以查阅相关文献。滤波器可以查阅相关文献。6.6.1 奇模和偶模奇模和偶模 图图6.25 耦合微带线激励的定义耦合微带线激励的定义 图图6.26 耦合微带线奇偶模

26、的特性阻抗耦合微带线奇偶模的特性阻抗 6.6.2 耦合线的滤波特性耦合线的滤波特性1.偶模下驱动耦合微带线的情形偶模下驱动耦合微带线的情形 假定其他端口开路，在端口假定其他端口开路，在端口1或端口或端口2可以看到输入阻抗为可以看到输入阻抗为 2奇模下驱动耦合微带线的情形奇模下驱动耦合微带线的情形 用电流用电流i2在奇模下驱动，此时假定其在奇模下驱动，此时假定其他端口开路。在端口他端口开路。在端口1或端口或端口2可以看到输可以看到输入阻抗为入阻抗为 图图6.27 有带通响应的耦合微带线结构有带通响应的耦合微带线结构 图图6.28 有带通响应的耦合微带线输入阻抗实部有带通响应的耦合微带线输入阻抗实

27、部 6.6.3 级连耦合微带线滤波器级连耦合微带线滤波器前面讨论的前面讨论的/4长耦合微带线单元虽然长耦合微带线单元虽然具有滤波特性，但其不能提供陡峭的通带具有滤波特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带过渡。如果将多个到阻带过渡。如果将多个/4长耦合微带线长耦合微带线单元级连，级连后的网络可以具有良好的单元级连，级连后的网络可以具有良好的滤波特性。滤波特性。下面给出设计的步骤下面给出设计的步骤:（1）根据需要的衰减或波纹，选择）根据需要的衰减或波纹，选择巴特沃斯或切比雪夫低通滤波器原型巴特沃斯或切比雪夫低通滤波器原型参数。参数。图图6.29 多节耦合微带线带通滤波器多节耦合微带线带通滤波器 （2）确定上、下边频和归一化带宽。）确定上、下边频和归一化带宽。（3）计算耦合微带线各节偶模和奇）计算耦合微带线各节偶模和奇模的特性阻抗。模的特性阻抗。（4）确定微带线的实际尺寸。）确定微带线的实际尺寸。