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RF Circuit design(Topic 7)_Filter_new
RF Circuit Design: Theory and Application 福州大学通信工程系 许志猛 TOPIC 7 滤波器的基本原理 滤波器的基本概念 滤波器的指标和技术参数 滤波器的设计理论 滤波器的低通原型 低通滤波器缩比变换 设计实例 滤波器的基本概念 模拟滤波器是最基本的信号处理器件,主要功能是消除影响信号处理的各类噪声。 滤波器的基本原理是根据频率不同产生不同的增益,使得特定的信号被突显出来,其他频率的信号则被衰减,达到消除噪声的目的。 带通滤波器用作收发机和频谱分析仪中的选频装置 低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波 高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声 带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器 RF通常采用工作衰减来描述滤波器的幅值特性 滤波器的分类 可以从不同角度对滤波器进行分类 按功能分: 低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,可调滤波器 按使用的元件分: 集总参数滤波器,分布参数滤波器,无源滤波器,有源滤波器,晶体滤波器,声表面波滤波器,等等 滤波器的分类 除了以上几种基本分类法,还有以下几种常见的分类方法: 根据相对带宽 根据功率容量 低功率、中功率和高功率滤波器 根据中心频率 固定频带和可调谐滤波器 根据阻带功率流向 反射式和吸收式滤波器 滤波器技术指标和主要参数 频率指标: 带宽(Bandwidth) 通带的3dB带宽(flow - fhigh) 中心频率 工作频带中心,f0 截止频率 传输系数下降到3dB点频率, fc 止带(stop band或reject band) 又称阻带抑制,对于低通、高通、带通滤波器,指衰减到指定点(通常选60dB点)的频带。 阻带边频 阻带内允许通过的最小损耗所对应的频率 滤波器技术指标和主要参数 衰减指标: 插入损耗(insertion loss) 当滤波器与设计要求的负载连接,通带中心衰减,单位:dB 绝对衰减(Absolute attenuation) 阻带中最大衰减,单位:dB 回波损耗(Return loss) 表示滤波器的匹配情况,单位:dB 滤波器技术指标和主要参数 矩形度指标: 带内波纹(passband ripple) 在通带内幅度波动,用最大值和最小值之差定义 波纹系数,其单位为dB或奈贝(Neper) 每倍频程衰减(dB/Octave) 离开截止频率一个倍频程衰减(dB) 矩形系数(shape factor) 定义为 滤波器技术指标和主要参数 相频特性: 相移(phase shift) 当信号经过滤波器引起的相移 群时延(Group delay) 任何离散信号经过滤波器的时延(ns) 微分时延(differential delay) 两特定频率点群时延之差,单位:ns 其他指标: 寄生通带 由元件的周期性特性引起,应使寄生通带远离通带频率范围 功率容量 可调范围 无失真传输条件 关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问题 器件的幅度响应必须在使用的带宽内为固定值。这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的 器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。既满足常数群时延特性,所有谐波有相同的延时时间。 品质因数Q 品质因数Q(quality factor) 中心频率与3dB带宽之比 有载品质因数比空载品质因数小 描述滤波器的频率选择性 串联和并联谐振电路的品质因数Q 滤波器的基本实现—集总参数 基本LC低通滤波器 基本LC高通滤波器 滤波器的基本实现—集总参数 基本串、并联带阻滤波器 基本滤波器电路的串联、并联构成更复杂的多级滤波器 滤波器设计理论 一般而言,给定设计参数,直接用上述基本结构设计出符合要求的滤波器比较困难。 通常RF滤波器的设计,采用网络综合的方法。 所谓网络综合,在微波工程实用上指的是预先规定元器件特性而用网络去实现的一个过程。它大致包括三个步骤: 提出目标,即理想响应; 选用可能的函数去逼近理想响应; 设法实现具有逼近函数特性的网络。 滤波器设计理论 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: 最平坦型用巴特沃斯(Butterworth) 等波纹型用切比雪夫(Tchebeshev) 等延时用贝塞尔多项式(Bessel) 陡峭型用椭圆函数型(Elliptic),也称考尔(Cauer)滤波器 对于低通、高通、带通、带阻四种类型的滤波器,一一自始至终地进行综合设计太过复杂。 简单的方法是只需要把低通原型滤波器分析清楚,然后利用频率和阻抗变换把实际的低通、高通、带通、带阻滤波器变换成低通原型来综合设计。 从设计指标到电路映射 滤波器低通原型为基本低通LC的级联网络。 为了逼近滤波器衰减特性,需要选择合适的数学多项式。 选定了数学多
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