《射頻濾波器的設(shè)計(jì)》PPT課件

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1、第6章射頻濾波器的設(shè)計(jì)射頻電路許多有源和無源部件都沒有獲得精確的頻率特性，因而在設(shè)計(jì)射頻系統(tǒng)時(shí)通常會(huì)加入濾波器，以非常精確地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的頻率特性。濾波器是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，允許所需要頻率的信號(hào)以最小可能的衰減通過，同時(shí)衰減不需要頻率的信號(hào)。鏡像參量法和插入損耗法都可以用來設(shè)計(jì)濾波器，現(xiàn)今大多數(shù)濾波器是采用插入損耗法設(shè)計(jì)的，因其可以得到完整的頻率響應(yīng)。本章講述采用插入損耗法設(shè)計(jì)濾波器。當(dāng)頻率不高時(shí)，濾波器可以由集總元件的電感和電容構(gòu)成，但當(dāng)頻率高于500MHz時(shí)，電路寄生參數(shù)的影響不可忽略，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成。用插入損耗法設(shè)計(jì)濾波器，得到的是集總元件濾波電

2、路，頻率高時(shí)需要將集總元件濾波電路變換為分布參數(shù)電路實(shí)現(xiàn)。本章首先討論濾波器的類型；然后用插入損耗法設(shè)計(jì)低通濾波器原型;進(jìn)而通過濾波器變換將低通濾波器原型變換為各種類型的集總元件濾波器；最后討論將集總元件濾波器變換為各種分布參數(shù)濾波器。平行耦合微帶傳輸線通常由靠得很近的3個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成（如圖624所示），這種結(jié)構(gòu)介質(zhì)厚度為d，介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為εr，在介質(zhì)的下面為公共導(dǎo)體接地板，在介質(zhì)的上面為2個(gè)寬度為W、相距為S的中心導(dǎo)體帶。濾波器的類型6.1用插入損耗法設(shè)計(jì)低通濾波器原型6.2濾波器的變換6.3短截線濾波器的實(shí)現(xiàn)6.4階梯阻抗低通濾波器6.5耦合微帶線濾波器

3、6.66.1濾波器的類型6.1濾波器的類型濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器4種基本類型。理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器與理想濾波器有差異。實(shí)際濾波器既不能實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)信號(hào)無損耗地通過，也不能實(shí)現(xiàn)阻帶內(nèi)信號(hào)衰減無窮大。以低通濾波器為例，實(shí)際低通濾波器允許低頻信號(hào)以很小的衰減通過濾波器，當(dāng)信號(hào)頻率超過截止頻率后，信號(hào)的衰減將急劇增大。圖6.14種理想濾波器6.2用插入損耗法設(shè)計(jì)低通濾波器原型低通濾波器原型是設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ)，集總元件低通、高通、帶通、帶阻濾波器以及分布參數(shù)元件濾波器，可以根據(jù)低通濾波器原型變換而來。本節(jié)用插入損耗作為考察濾波

4、器的指標(biāo)，討論低通濾波器原型的設(shè)計(jì)方法。在插入損耗法中，濾波器的響應(yīng)是用插入損耗表征的。插入損耗定義為來自源的可用功率與傳送到負(fù)載功率的比值，用dB表示的插入損耗定義為插入損耗可以選特定的函數(shù)，隨所需的響應(yīng)而定，常用的有通帶內(nèi)最平坦、通帶內(nèi)有等幅波紋起伏、通帶和阻帶內(nèi)都有等幅波紋起伏和通帶內(nèi)有線性相位4種響應(yīng)的情形，對(duì)應(yīng)這4種響應(yīng)的濾波器稱為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓函數(shù)濾波器和線性相位濾波器。6.2.1巴特沃斯低通濾波器原型如果濾波器在通帶內(nèi)的插入損耗隨頻率的變化是最平坦的，這種濾波器稱為巴特沃斯濾波器，也稱為最平坦濾波器。對(duì)于低通濾波器，最平坦響

5、應(yīng)的數(shù)學(xué)表示式為圖6.2低通濾波器的最平坦響應(yīng)圖6.3低通巴特沃斯濾波器衰減隨頻率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系2.低通濾波器原型濾波器可以由集總元件電感和電容構(gòu)成?？紤]圖6.4所示的二元件電路，是一個(gè)低通濾波器，下面將對(duì)最平坦響應(yīng)推導(dǎo)出圖中元件L和C的值。采用低通濾波器原型，假定其源阻抗為1Ω，截止頻率為ωc=1。由式（6.2），當(dāng)N=2時(shí)最平坦響應(yīng)為圖6.4二元件低通濾波器原型用同樣的方法可以求出N元件低通濾波器原型的元件取值。圖6.5低通濾波器原型電路6.2.2切比雪夫低通濾波器原型如果濾波器在通帶內(nèi)有等波紋的響應(yīng)，這種濾波器稱為切比雪夫?yàn)V波器，也稱為等波紋濾波器。圖6

6、.6等波紋低通濾波器的響應(yīng)1.切比雪夫多項(xiàng)式第N階切比雪夫多項(xiàng)式是用TN(x)表示的N次多項(xiàng)式。前4階切比雪夫多項(xiàng)式是2.通帶和阻帶ω<ωc是低通濾波器的通帶；ω>ωc是低通濾波器的阻帶;ω=ωc是通帶和阻帶的分界點(diǎn)。3.低通濾波器原型切比雪夫低通濾波器原型假定源阻抗為1Ω，截止頻率為ωc=1。圖6.7切比雪夫?yàn)V波器衰減隨頻率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系6.2.3橢圓函數(shù)低通濾波器原型最平坦響應(yīng)和等波紋響應(yīng)兩者在阻帶內(nèi)都有單調(diào)上升的衰減。在有些應(yīng)用中需要設(shè)定一個(gè)最小阻帶衰減，在這種情況下能獲得較好的截止陡度，這種類型的濾波器稱為橢圓函數(shù)濾波器。橢圓函數(shù)濾波器在通帶和阻帶內(nèi)都

7、有等波紋響應(yīng)，如圖6.8所示。對(duì)于橢圓函數(shù)濾波器這里不做進(jìn)一步的討論，相關(guān)內(nèi)容可以查閱參考文獻(xiàn)。圖6.8橢圓函數(shù)低通濾波器的響應(yīng)6.2.4線性相位低通濾波器原型前面3種濾波器都是設(shè)定振幅響應(yīng)，但在有些應(yīng)用中，線性的相位響應(yīng)比陡峭的阻帶振幅衰減響應(yīng)更為關(guān)鍵。線性的相位響應(yīng)與陡峭的阻帶振幅衰減響應(yīng)不兼容，如果要得到線性相位，相位函數(shù)必須有如下特征式（6.13）表明相位的群時(shí)延是最平坦函數(shù)。6.3濾波器的變換6.3.1阻抗變換6.3.2頻率變換將歸一化頻率變換為實(shí)際頻率，相當(dāng)于變換原型中的電感和電容值。通過頻率變換，不僅可以將低通濾波器原型變換為低通濾波器，而且可以

8、將低通濾波器原型變換為高通濾波器、帶通