射頻微波濾波器PPT課件

1、(2) (2) 插入損耗插入損耗: : 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合的兩端阻抗。 (3) (3) 帶內(nèi)紋波帶內(nèi)紋波: : 插入損耗的波動范圍。帶內(nèi)紋波越小越好,否則會增加通過濾波器的不同頻率信號的功率起伏。第1頁/共55頁 (4) (4) 帶外抑制帶外抑制: : 規(guī)定濾波器在什么頻率上會阻斷信號, 也可用帶外滾降來描述,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

2、低越好。(5) (5) 承受功率。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,會擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。第2頁/共55頁 其他指標(biāo)其他指標(biāo) (1) (1) 阻帶頻率阻帶頻率(2) (2) 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù) (3) (3) 關(guān)于線性相位關(guān)于線性相位 21/ncAp 2121/ndcdApnd 群時延群時延線性相位特性可用如下相位響應(yīng)達(dá)到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，是電壓傳遞函數(shù)的相位，p p是常數(shù)是常數(shù)第3頁/共55頁無失真?zhèn)鬏數(shù)年P(guān)鍵：無失真?zhèn)鬏數(shù)年P(guān)鍵：第4頁/共55頁7.1.2 7.1.2 濾波器的原理濾波器的原理雙端口網(wǎng)絡(luò),

3、設(shè)從一個端口輸入一具有均勻功率譜的信號,信號通過網(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。 圖圖7-1 7-1 濾波器特性示意圖濾波器特性示意圖濾波器ZLPLf0OfPinfO第5頁/共55頁通常采用工作衰減來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特性都可由低通原型特性變換而來。dBPPLLinAlg10(7-1) 第6頁/共55頁 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)式來逼近濾波器特性

4、。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( E l l i p t i c ) ， 等 延 時 用 高 斯 多 項(xiàng) 式（Gaussian）。表表7-1 7-1 四種濾波器函數(shù)四種濾波器函數(shù)第7頁/共55頁第8頁/共55頁 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)。122()(01)1( )nnnKH jKR巴特沃思響應(yīng)為nnR切比雪夫響應(yīng)為( )( )nnRT簡單的響應(yīng)為1nK 為等波紋幅度為n階切比雪夫多項(xiàng)式( )nT第9頁/共55頁7.1.3 7.1.3 濾波器的設(shè)

5、計(jì)方法濾波器的設(shè)計(jì)方法(1) (1) 經(jīng)典方法：經(jīng)典方法： 即低通原型綜合法,先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) (2) 軟件方法軟件方法: : 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)洹⒎抡鎱?shù)、調(diào)整優(yōu)化。第10頁/共55頁7.1.4 7.1.4 濾波器的四種低通原型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)。圖圖 7-27-2巴特沃士、切巴特沃士、切比雪夫、比雪夫、 高斯多項(xiàng)式高斯多項(xiàng)式的

6、電路結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)g2g0g1g3gngn1(n為 偶數(shù))gngn1或(n為 奇數(shù))(a)g1g0g2g3gngn1(n為 偶數(shù))gngn1或(n為 奇數(shù))(b)第11頁/共55頁圖圖 7-3 7-3 橢圓函數(shù)低通原型電路結(jié)構(gòu)橢圓函數(shù)低通原型電路結(jié)構(gòu)1ngg0g1g2gngn1gn1或gngn1(n為偶數(shù))(n為奇數(shù))(a)g1g0g2gn12ggn1gn或gngn11ng(b)2g(n為偶數(shù))(n為奇數(shù))1ng1ng第12頁/共55頁1. 1. 巴特沃士巴特沃士已知帶邊衰減、歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,可求得元件數(shù)n和查得元件值。sASLnlg2) 110lg(1 .

7、 02. 2. 切比雪夫切比雪夫已知帶邊衰減與波紋指標(biāo)LAr、歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,同樣可求得元件數(shù)n和查得元件值。0.110.11101cosh101coshAsArLLsn第13頁/共55頁/sc 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)為阻帶最小衰減第14頁/共55頁/sc 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）第15頁/共55頁/sc 等波紋濾波器的衰減與歸一化截止頻率的關(guān)系（波紋3dB）第16頁/共55頁3. 3. 橢圓函數(shù)橢圓函數(shù) 已知帶邊衰減與波紋指標(biāo)LAr、歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s, 阻帶波紋

8、與通帶波紋相同，元件數(shù)目和值都查表得到。 4. 4. 高斯多項(xiàng)式高斯多項(xiàng)式在現(xiàn)代無線系統(tǒng)中,會遇到保持頻帶內(nèi)群延時平坦的場合。方法同前，需注意電路元件不對稱。第17頁/共55頁保證頻帶內(nèi)群延時平坦的代價是犧牲衰減指標(biāo)。隨頻率的提高衰減明顯增加,延時不變。曲線表明,元件數(shù)多比元件數(shù)少時指標(biāo)要好些。 圖圖 7-4 7-4 最平坦延時型低通原型特性最平坦延時型低通原型特性LA / dBn3n53.01.01.0d / 0n3n51.0(a)(b)00第18頁/共55頁7.1.5 7.1.5 濾波器的四種頻率變換濾波器的四種頻率變換由低通原型濾波器經(jīng)過頻率變換, 可得到低通、高通、帶通、帶阻四種實(shí)用濾

9、波器。定義阻抗因子為00000ZggYg g0 0為電阻為電阻 g g0 0為電導(dǎo)為電導(dǎo) 1. 1. 低通變換低通變換 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c=1, Z0=50, 邊頻fc=2GHz。第19頁/共55頁變換過程為：選擇圖7-2（b）所示原型,查表7-2可得, g0=g4=1.0,g1=g3=1.0H, g2=2.0F。已知050,c=2fc, 由圖7-5（a）中變換關(guān)系計(jì)算得 L1=L3=3.979nH, C2=3.183pF。 圖圖 7-5 7-5 低通原型向低通濾波器的變換關(guān)系低通原型向低通濾波器的變換關(guān)系gg0cc g0ccg3.979 nH

10、3.979 nH50 3.183 pF(a)50 (b)第20頁/共55頁2. 2. 高通變換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)例見圖示。三節(jié)巴特沃士原型的c=1, Z0=50,邊頻fc=2GHz,計(jì)算結(jié)果見圖7-6(b)。 圖圖 7-6 7-6 低通原型向高通濾波器的變換關(guān)系低通原型向高通濾波器的變換關(guān)系gg0cc11gg0cc11.592 pF50 1.989 nH(a)50 (b)1.592 pF第21頁/共55頁 3. 3. 帶通變換帶通變換 低通原型向帶通濾波器的變換關(guān)系和變換實(shí)例見圖示。三節(jié)巴特沃士原型的c=1, Z0=50,通帶FBW=12 GHz。4. 4. 帶阻變

11、換帶阻變換 低通原型向帶阻濾波器的變換關(guān)系和變換實(shí)例如圖示。三節(jié)巴特沃士原型的c=1,Z0=50,阻帶FBW=12GHz。第22頁/共55頁圖圖 7-7 7-7 低通原型向帶通濾波器的變換關(guān)系低通原型向帶通濾波器的變換關(guān)系 ggFBWL00csLsCss20s1LC00cpgFBWCp20p1CLLpCpg7.958 nH50 1.592 pF1.989 nH7.958 nH1.592 pF6.366 pF50 (a)(b)第23頁/共55頁圖圖7-8 7-8 低通原型向帶阻濾波器的變換關(guān)系低通原型向帶阻濾波器的變換關(guān)系ggFBWL00cpLpp20p1LC00csgFBWCs20s1CLLs

12、Csg3.979 nH50 3.183 pF3.979 nH3.183 pF50 (a)(b)Cp3.979 nH3.183 pF第24頁/共55頁7.1.6 7.1.6 濾波器的微波實(shí)現(xiàn)濾波器的微波實(shí)現(xiàn)四種射頻/微波濾波器的實(shí)現(xiàn)方式有集總元件L-C型和傳輸線型。所用微波傳輸線基本結(jié)構(gòu)有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶等。用傳輸線實(shí)現(xiàn)電感、電容值只能是近似的。加工誤差、表面處理、材料損耗等因素迫使射頻/微波濾波器的研發(fā)必須有實(shí)驗(yàn)調(diào)整。 實(shí)現(xiàn)濾波器的基本單元是諧振器。有微帶諧振、腔體諧振、介質(zhì)諧振等。第25頁/共55頁TEM帶線諧振器的等效電路第26頁/共55頁第27頁/共55頁7.2 7.2 集總參

13、數(shù)濾波器集總參數(shù)濾波器7.2.1 7.2.1 集總元件低通濾波器集總元件低通濾波器 設(shè)計(jì)一個L-C切比雪夫型低通濾波器,截止頻率為75MHz,衰減為3dB,波紋為1dB,頻率大于100MHz,衰減大于20dB,Z0=50。 步驟一步驟一: : 確定指標(biāo): 特性阻抗Z0=50, 截止頻率fc=75MHz,阻帶邊頻fs=100MHz,通帶最大衰減LAr=3dB,阻帶最小衰減LAs=20dB。第28頁/共55頁步 驟 二步 驟 二 : : 計(jì) 算 元 件 級 數(shù) n , 令 , n取最接近的整數(shù),則n=5。步驟三步驟三: : 查表求原型元件值gi。 /10121cosh101 /coshAsLsn0

14、.1101rA表表 7-67-6原型元件值原型元件值第29頁/共55頁表表 7-77-7實(shí)際元件值實(shí)際元件值步驟四步驟四: : 計(jì)算變換后元件值，實(shí)際元件值取整數(shù)步驟五步驟五: : 畫出電路并仿真特性。 第30頁/共55頁204060800100-20-15-10-5-250f req, M H zdB(S(2, 1)R L7.2.2 7.2.2 集總元件帶通濾波器集總元件帶通濾波器設(shè)計(jì)一個L-C切比雪夫型帶通濾波器,中心頻率為75MHz,3dB帶寬為10MHz,波紋為1dB,工作頻帶外7515MHz的衰減大于30dB,Z0=50。第31頁/共55頁步驟一步驟一: : 確定指標(biāo): 特性阻抗 Z

15、0=50 上通帶邊頻 f1=75+5=80 MHz 下通帶邊頻 f2=75-5=70 MHz 上阻帶邊頻 f=75+15=90 MHz 下阻帶邊頻 f=75-15=60MHz 通帶內(nèi)最大衰減 LAr=3dB 阻帶最小衰減 LAs=30dB 第32頁/共55頁步驟二：步驟二： 計(jì)算相關(guān)參數(shù): 012212012021274.831013.33312.778(,)2.778sXLXLsXUXUsssfffFBWffMHzfffFBWfffFBWMIN 60XLfMHz90XUfMHz第33頁/共55頁 步驟三步驟三: : 計(jì)算元件節(jié)數(shù)n。令 n取整數(shù)3。步驟四步驟四: : 計(jì)算原型元件值gi。 0

16、.10.1101,10ArAsMag212211coshcoshsMagMagn第34頁/共55頁 步驟五步驟五: : 畫出電路并仿真。 6070809010050110-50-40-30-20-10-600f req, M H zdB(S(2, 1)R L第35頁/共55頁7.3.1 7.3.1 低通濾波器低通濾波器1. 1. 切比雪夫低通及相關(guān)討論切比雪夫低通及相關(guān)討論設(shè)計(jì)一個三階微帶低通濾波器, 截止頻率f1=1GHz,通帶波紋為0.1dB,阻抗Z0=50。步驟一步驟一: : 三節(jié)低通原型元件值為 g0=g4=1,g1=g3=1.0316, g2=1.1474。 步驟二步驟二: : 進(jìn)行

17、低通變換,得到 FZfgCHfZgLL12012291013110652. 32102098. 827.3 7.3 各種微帶線濾波器各種微帶線濾波器 第36頁/共55頁步驟三步驟三: : 微帶實(shí)現(xiàn)。(1) (1) 微帶高低阻抗線。微帶高低阻抗線。高阻抗線近似于電感,低阻抗線近似于電容。微帶基板參數(shù)為10.8/1.27,波導(dǎo)波長對應(yīng)截止頻率為1.0GHz,取高、低阻抗線的特性阻抗分別為Z0L=93, Z0C=24。表表 7-9 7-9 微帶線參數(shù)微帶線參數(shù)第37頁/共55頁高、 低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到： 考慮低阻抗線的串聯(lián)電抗和高阻抗線的并聯(lián)電納,高、低阻抗線的長度可調(diào)整為1020

18、arcsin11.042arcsin9.752gLcLLgLCcCLlmmZlC Zmm1002002sintan211sin2tanCLcLCgLgCCCcCgCLgCllLZZllCZZ 第38頁/共55頁 解得到lL=9.81mm,lC=7.11mm。圖圖 7-13 7-13 高、低阻抗線低通濾波器高、低阻抗線低通濾波器(a) (a) 濾波器微帶結(jié)構(gòu)濾波器微帶結(jié)構(gòu); (b) ; (b) 特性曲線特性曲線GHz第39頁/共55頁第40頁/共55頁0. 51. 01. 52. 02. 50. 03. 0-30-20-10-400f req, G H zdB(S(2, 1)dB(S(1, 1)

19、第41頁/共55頁五節(jié)低通濾波器電路布局第42頁/共55頁(2) (2) 微帶枝節(jié)線。微帶枝節(jié)線。用高阻抗線實(shí)現(xiàn)電感,開路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)電容, 有考慮不連續(xù)性,應(yīng)滿足 00arcsin11.042arctan8.412gLCLLgCCCCLlmmZlCZmm00211tan2tanCLCCgCLgLllCZZ 第43頁/共55頁解得lC=6.28mm,考慮開路終端縮短效應(yīng)(0.5mm),故lC=6.28-0.5=5.78mm。 圖圖 7-14 7-14 枝節(jié)線低通濾波器枝節(jié)線低通濾波器(a) (a) 濾波器微帶結(jié)構(gòu)濾波器微帶結(jié)構(gòu); (b) ; (b) 特性曲線特性曲線12單位：mmS11S210.0

20、0.51.01.52.02.53.0151050IL / dBf / GHz(a)(b)11.044.05.780.2第44頁/共55頁0. 51. 01. 52.02.50. 03.0-60-40-20-800f req, G H zdB(S(2, 1)dB(S(1, 1)第45頁/共55頁兩種三節(jié)切比雪夫?yàn)V波器在阻帶遠(yuǎn)區(qū)的特性仿真結(jié)果顯示：盡管通帶內(nèi)兩個結(jié)構(gòu)基本一致,但阻帶內(nèi)階梯阻抗線特性明顯不如開路枝節(jié)濾波器。圖圖 7-15 7-15 兩種結(jié)構(gòu)的阻帶兩種結(jié)構(gòu)的阻帶仿真仿真0123456 40 30 20 100IL / dBf / MHz開 路 枝 節(jié)階 梯 阻 抗 線第46頁/共55頁

21、為了改善阻帶特性,提高滾降指標(biāo),可用七節(jié)實(shí)現(xiàn),原型變換后元件值為 Z0=50,C1=C7=3.7596pF L2=L6=11.322nH,C3=C5=6.6737pF L4=12.52nH表表 7-10 7-10 微帶枝節(jié)設(shè)計(jì)的兩組取值微帶枝節(jié)設(shè)計(jì)的兩組取值 第47頁/共55頁圖圖 7-16 7-16 七節(jié)切比七節(jié)切比雪夫?yàn)V波雪夫?yàn)V波器器L2L4L6C1C3C5C7Z0Z0 10 20 30 40 50 60 70 800.00.51.01.52.02.53.00IL / dBf / GHzWcWLl1l2l3l4l5l6l7(a )(b )L -C 低 通 原 型設(shè) 計(jì) 1設(shè) 計(jì) 2(c)第48頁/共55頁第49頁/共55頁 從微帶枝節(jié)設(shè)計(jì)的兩組取值結(jié)果看出,L-C低通的性能最好,設(shè)計(jì)1性能次之,設(shè)計(jì)2性能最差。設(shè)計(jì)1尺寸基本接近集總元件,設(shè)計(jì)2中高阻線長度在2.86GHz時近似等于二分之一波導(dǎo)波長,發(fā)生諧振引起濾波器的寄生通帶,降低了阻帶指數(shù)。因此,微帶濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有絕對的優(yōu)劣,設(shè)計(jì)濾波器時要多方面充分比較各種參數(shù),既要照顧電氣指標(biāo),還要考慮加工可行性,才能得到一個良好的方案。第50頁/共