第7章 射频微波滤波器.pptVIP

第7章 射频/微波滤波器 7.1 滤波器的基本原理 7.2 集总参数滤波器 7.3 各种微带线滤波器 7.4 微带线滤波器新技术 7.1 滤波器的基本原理 7.1.1 滤波器的指标 滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。下面对这些技术指标做一简单介绍。 (1) 工作频率: 滤波器的通带频率范围,有两种定义方式： ① 3 dB带宽: 由通带最小插入损耗点（通带传输特性的最高点）向下移3 dB时所测的通带宽度。这是经典的定义,没有考虑插入损耗,易引起误解,工程中较少使用。 ② 插损带宽: 满足插入损耗时所测的带宽。这个定义比较严谨,在工程中常用。 (2) 插入损耗: 由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗（如电感、 电容、 导体、 介质的不理想）和滤波器的回波损耗（两端电压驻波比不为1）。插入损耗限定了工作频率,也限定了使用场合的两端阻抗。  (3) 带内纹波: 插入损耗的波动范围。带内纹波越小越好,否则,会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏。 (4) 带外抑制: 规定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。滤波器的寄生通带损耗越大越好,也就是谐振电路的二次、 三次等高次谐振峰越低越好。 (5) 承受功率。 在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。 7.1.2 滤波器的原理 考虑图7-1所示的双端口网络, 设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。 通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性,即 式中,Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。随着频率的不同,式(7-1)的数值不同,这就是滤波器的衰减特性。根据衰减特性,滤波器分为低通、 高通、 带通和带阻四种。这四种微波滤波器的特性都可由低通原型特性变换而来。 式(7-1)仅表示某个频率的衰减。为了描述衰减特性与频率的相关性,通常使用数学多项式来逼近滤波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterworth),等波纹型用切比雪夫(Tchebeshev),陡峭型用椭圆函数型(Elliptic)，等延时用高斯多项式（Gaussian）。表7 -1 给出这四种类型滤波器的基本特性。 7.1.3 滤波器的设计方法 滤波器的设计方法有如下两种：  (1) 经典方法： 即低通原型综合法,先由衰减特性综合出低通原型,再进行频率变换,最后用微波结构实现电路元件。结合数学计算软件(如Mathcad、 MATLAB等)和微波仿真软件（Ansoft、 Microwave Office等）可以得到满意的结果。下面将重点介绍。 (2) 软件方法: 先由软件商依各种滤波器的微波结构拓扑做成软件,使用者再依指标挑选拓扑、 仿真参数、 调整优化。这些软件有WAVECON、 EAGEL等。购得这些软件,滤波器设计可以进入“傻瓜”状态。 7.1.4 滤波器的四种低通原型 下面简要介绍表7-1 中四种传输函数滤波器的设计方法。滤波器低通原型为电感电容网络,其中,巴特沃士、 切比雪夫、 高斯多项式的梯形结构见图7-2,椭圆函数的电路结构见图7-3。元件数和元件值只与通带结束频率、 衰减和阻带起始频率、 衰减有关。设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。 1. 巴特沃士 已知带边衰减为3dB处的归一化频率Ωc=1、截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs,则图7-2中元件数n由式（7-2）给出,元件值由表7-2给出。 2. 切比雪夫 已知带边衰减与波纹指标LAr、归一化频率Ωc=1、截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs,则图7-2中元件数n由式（7-3）给出,元件值由表7-3给出。 3. 椭圆函数 已知带边衰减与波纹指标LAr、 归一化频率Ωc=1、截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs, 阻带波纹与通带波纹相同,则图7-3中元件数n和元件值由表7-4给出。 4. 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。也可用图7-2 所示低通原型梯形结构实现这样的功能,但电路元件不对称。 表7-5 是这类滤波器低通原型的元件值。 保证频带内群延时平坦的代价是牺牲衰减指标。随频率的提高衰减明显增加,延时不变，如图7-4所示。曲线表明,元件数多比元件数少时指标