射頻微波濾波器(IV)

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1、第七章射頻微波濾波器7.1濾波器的基本原理7.2集總參數(shù)濾波器7.3各種微帶線濾波器7.4微帶線濾波器新技術(shù)7.1濾波器的基本原理7.1.1濾波器的指標(biāo)(1)工作頻率:濾波器的通帶頻率范圍①3dB帶寬:由通帶最小插入損耗點(diǎn)（通帶傳輸特性的最高點(diǎn)）向下移3dB時(shí)所測(cè)的通帶寬度。這種定義沒(méi)有考慮插入損耗,工程中較少使用。②插損帶寬:滿足插入損耗時(shí)所測(cè)的帶寬。這個(gè)定義工程中常用。(2)插入損耗:濾波器在系統(tǒng)內(nèi)引入的損耗。通帶內(nèi)的最大損耗包括構(gòu)成濾波器的所有元件的電阻性損耗（如電感、電容、導(dǎo)體、介質(zhì)的不理想）和濾波器

2、的回波損耗（兩端電壓駐波比不為1）。插入損耗限定了工作頻率和使用場(chǎng)合的兩端阻抗。(3)帶內(nèi)紋波:插入損耗的波動(dòng)范圍。帶內(nèi)紋波越小越好,否則會(huì)增加通過(guò)濾波器的不同頻率信號(hào)的功率起伏。(4)帶外抑制:規(guī)定濾波器在什么頻率上會(huì)阻斷信號(hào),也可用帶外滾降來(lái)描述,就是規(guī)定濾波器通帶外每多少頻率下降多少分貝。濾波器的寄生通帶損耗越大越好,也就是諧振電路的二次、三次等高次諧振峰越低越好。(5)承受功率。在大功率發(fā)射機(jī)末端使用的濾波器要按大功率設(shè)計(jì),元件體積要大,否則,會(huì)擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。其他指標(biāo)(1)阻帶頻率(2

3、)品質(zhì)因數(shù)(3)關(guān)于線性相位群時(shí)延線性相位特性可用如下相位響應(yīng)達(dá)到是電壓傳遞函數(shù)的相位，p是常數(shù)無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)年P(guān)鍵：7.1.2濾波器的原理雙端口網(wǎng)絡(luò),設(shè)從一個(gè)端口輸入一具有均勻功率譜的信號(hào),信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后,在另一端口的負(fù)載上吸收的功率譜不再是均勻的,即網(wǎng)絡(luò)具有頻率選擇性。圖7-1濾波器特性示意圖通常采用工作衰減來(lái)描述濾波器的衰減特性,即Pin和PL分別為濾波器的輸入功率和負(fù)載吸收功率。頻率不同,式(7-1)的數(shù)值也不同,這就是濾波器的衰減特性。根據(jù)衰減特性,濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種。這四種微波濾波器的

4、特性都可由低通原型特性變換而來(lái)。(7-1)為了描述衰減特性與頻率的相關(guān)性,通常使用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來(lái)逼近濾波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterworth),等波紋型用切比雪夫(Tchebeshev),陡峭型用橢圓函數(shù)型(Elliptic)，等延時(shí)用高斯多項(xiàng)式（Gaussian）。表7-1四種濾波器函數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)、定向耦合器、濾波器中常用兩種響應(yīng)特性，即巴特沃思響應(yīng)和切比雪夫響應(yīng)。巴特沃思響應(yīng)為切比雪夫響應(yīng)為簡(jiǎn)單的響應(yīng)為為等波紋幅度為n階切比雪夫多項(xiàng)式7.1.3濾波器的設(shè)計(jì)方法(1)經(jīng)典方法：即低通原型綜合法,先

5、由衰減特性綜合出低通原型,再進(jìn)行頻率變換和阻抗變換,最后用微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路元件。需結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算軟件(如MATLAB等)和微波仿真軟件。(2)軟件方法:先由軟件商依各種濾波器的微波結(jié)構(gòu)拓?fù)渥龀绍浖?使用者再依指標(biāo)挑選拓?fù)?、仿真參?shù)、調(diào)整優(yōu)化。7.1.4濾波器的四種低通原型濾波器低通原型為電感電容網(wǎng)絡(luò)。元件數(shù)和元件值只與通帶結(jié)束頻率、衰減和阻帶起始頻率、衰減有關(guān)。圖7-2巴特沃士、切比雪夫、高斯多項(xiàng)式的電路結(jié)構(gòu)圖7-3橢圓函數(shù)低通原型電路結(jié)構(gòu)1.巴特沃士已知帶邊衰減、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截

6、止頻率Ωs,可求得元件數(shù)n和查得元件值。2.切比雪夫已知帶邊衰減與波紋指標(biāo)LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,同樣可求得元件數(shù)n和查得元件值。最大平坦式濾波器的衰減與歸一化截止頻率的關(guān)系縱坐標(biāo)為阻帶最小衰減等波紋濾波器的衰減與歸一化截止頻率的關(guān)系（波紋0.5dB）等波紋濾波器的衰減與歸一化截止頻率的關(guān)系（波紋3dB）3.橢圓函數(shù)已知帶邊衰減與波紋指標(biāo)LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,阻帶波紋與通帶波紋相同，元件數(shù)目和值都查表得到。4.高斯多項(xiàng)式在現(xiàn)

7、代無(wú)線系統(tǒng)中,會(huì)遇到保持頻帶內(nèi)群延時(shí)平坦的場(chǎng)合。方法同前，需注意電路元件不對(duì)稱。保證頻帶內(nèi)群延時(shí)平坦的代價(jià)是犧牲衰減指標(biāo)。隨頻率的提高衰減明顯增加,延時(shí)不變。曲線表明,元件數(shù)多比元件數(shù)少時(shí)指標(biāo)要好些。圖7-4最平坦延時(shí)型低通原型特性7.1.5濾波器的四種頻率變換由低通原型濾波器經(jīng)過(guò)頻率變換,可得到低通、高通、帶通、帶阻四種實(shí)用濾波器。定義阻抗因子為g0為電阻g0為電導(dǎo)1.低通變換低通原型向低通濾波器的變換關(guān)系和變換實(shí)例如圖示。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,邊頻fc=2GHz。變換過(guò)程為：選擇圖7-

8、2（b）所示原型,查表7-2可得,g0=g4=1.0Ω,g1=g3=1.0H,g2=2.0F。已知γ0＝50,ωc=2πfc,由圖7-5（a）中變換關(guān)系計(jì)算得L1=L3=3.979nH,C2=3.183pF。圖7-5低通原型向低通濾波器的變換關(guān)系2.高通變換低通原型向高通濾波器的變換關(guān)系和變換實(shí)例見(jiàn)圖示。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,邊頻fc=2GHz,計(jì)