微波濾波器基礎(chǔ)知識(shí)

關(guān)于微波濾波器基礎(chǔ)知識(shí)第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日微波及其特點(diǎn)所謂微波是一種具有極高頻率（通常為300MHz~300GHz），波長(zhǎng)很短，通常為1m~1mm的電磁波。微波具有似光性和似聲性、穿透性、信息容量大等特點(diǎn)。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日3電磁波波段代號(hào)波段代號(hào)頻率范圍/GHZ頻率范圍/GHZUHF0.3～1K18～27L1～2Ka27～40S2～4U40～60C4～8V60～80X8～12W80～100Ku12～18微波波段的劃分300MHz3000GHz可見光1m電磁波譜0.1mm頻率波長(zhǎng)3GHz30GHz300GHz10cm1cm1mm普通無線電波紅外線紫外線亞毫米微波分米厘米毫米中波短波超短波長(zhǎng)波第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的基本原理

濾波器定義

顧名思義就是對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行過濾，讓需要的信號(hào)通過，抑制不需要的信號(hào)，主要目的為了解決不同頻段、不同形式的無線通訊系統(tǒng)之間的干擾問題，其特性可以用通帶工作頻段、插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數(shù)、功率容量、群時(shí)延指標(biāo)來描述。第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的四種形式低通濾波器第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日低通濾波器電路原型第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的四種形式高通濾波器第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的四種形式帶通濾波器第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器電路原型第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的四種形式帶阻濾波器第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)通帶工作頻段指濾波器允許通過電磁波的頻率范圍。通帶的理解在生產(chǎn)過程提供的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定嚴(yán)格了的，不需要怎樣的去按照上面的定義去具體計(jì)算。也可以這樣說，如果我們的差損要求是0.8db，通帶需要10M的帶寬，那么我們的通帶就可以說成是0.8db帶寬為10M.第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)插入損耗又稱衰減,在理想情況下，插入到射頻電路中的理想濾波器，不應(yīng)在其通帶內(nèi)引入任何功率損耗.然而現(xiàn)實(shí)中我們無法消除濾波器固有的，某種程度的功率損耗。插入損耗定量的描述了功率響應(yīng)幅度與0dB基準(zhǔn)的插值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:其中PL是濾波器向負(fù)載輸出的功率，Pin是濾波器從信號(hào)源得到的輸入功率，一般希望插入損耗越小越好。第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)帶內(nèi)波動(dòng)在規(guī)定的帶寬內(nèi),插入損耗最大點(diǎn)減去最小點(diǎn)的即為帶內(nèi)波動(dòng)。又叫帶內(nèi)波紋或者通帶波紋。指通帶內(nèi)信號(hào)幅度的起伏程度，也受限于諧振器的固有Q值，一般希望盡可能的小。第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)帶外抑制又稱阻帶抑制,理想的濾波器是矩形的，通帶內(nèi)的信號(hào)全部通過，通道外的信號(hào)全部過濾掉。實(shí)際情況是，只能過濾掉一部分能量，帶外抑制度反應(yīng)了對(duì)過濾信號(hào)的衰減幅度，對(duì)不需要的頻率點(diǎn)，信號(hào)的抑制能力，一般希望盡可能的大，并在通帶范圍外陡峭的下降，通常取帶外與帶寬為一定比值的某一頻率的衰減值作為此項(xiàng)指標(biāo)。帶外抑制這個(gè)概念實(shí)際上還是屬于損耗的范疇，只是我們現(xiàn)在所說指的是在通帶外，信號(hào)的衰減已經(jīng)被抑制得比較充分，這個(gè)具體的損耗值就是帶外抑制的值。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)端口駐波比端口駐波是衡量濾波器性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，反應(yīng)濾波器件與系統(tǒng)中其它部件的匹配程度。當(dāng)系統(tǒng)不匹配時(shí),饋線上同時(shí)存在入射波Ei和反射波Er。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波電壓與反射波電壓的幅度相加形成一個(gè)最大電壓振幅Emax，稱為波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓幅度相減形成一個(gè)最小電壓振幅Emin，稱為波節(jié)。其它各點(diǎn)電壓的幅度值則介于波腹與波節(jié)之間，這種合成波稱為駐波。

第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)電壓駐波比則是波腹電壓與波節(jié)電壓的比值，即Ei為入射波電壓,Er為反射波電壓,當(dāng)ZL和Z0都為實(shí)數(shù)時(shí)第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)駐波比的另一個(gè)含義相同的名稱是回波損耗，單位為分貝（dB），二者可如下?lián)Q算：第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)隔離度為了區(qū)分在有兩個(gè)或者兩個(gè)以上通帶情況下（例如雙工器，合路器）相互通帶之間的帶外抑制，這時(shí)我們統(tǒng)一稱帶外抑制為隔離。以雙工器為例說明：收發(fā)隔離是指在網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)通道分別接rx與tx端，而ATN端接50歐姆負(fù)載時(shí)，整個(gè)頻段（TX的高端點(diǎn)與RX的低端點(diǎn)之間的帶寬）或者兩個(gè)通帶內(nèi)（RX頻帶內(nèi)和TX頻帶內(nèi)）s12或者s21的值。

第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)矩形系數(shù)矩形系數(shù)是60dB帶寬3dB帶寬的比值,它描述了濾波器在截止頻率附近響應(yīng)曲線變化的陡峭程度:第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)功率容量濾波器能承受的最大信號(hào)通過功率，濾波器的脈沖功率容量由其中強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的擊穿來確定，這與濾波器的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)。通常同軸線和帶狀線結(jié)構(gòu)的功率容量至少要比矩形波導(dǎo)小6、7倍，而矩形波導(dǎo)又比圓波導(dǎo)小4倍左右.第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)群時(shí)延信號(hào)通過濾波器時(shí)的延遲時(shí)間，可用以下公式表示：其中φ為濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)Ea/EL的相位，對(duì)于N個(gè)諧振器的帶通濾波器，通帶內(nèi)的群時(shí)延可近似估計(jì)為：第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的實(shí)現(xiàn)形式集總參數(shù)濾波器微帶線、帶狀線濾波器同軸腔體濾波器波導(dǎo)濾波器介質(zhì)濾波器第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日同軸諧振腔濾波器其結(jié)構(gòu)排列比較靈活，適合于100MHz－40GHz頻段帶通濾波器的設(shè)計(jì)，在當(dāng)今移動(dòng)通信頻段領(lǐng)域使用最多的當(dāng)是同軸腔。它的基本原理是根據(jù)四分之一開路線和二分之一短路線所等效的LCR諧振電路。在實(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中，我們使用了改進(jìn)的雙同軸UIR(均勻阻抗匹配)四分之一波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)通用，易于開發(fā)移植，適用移動(dòng)通信全頻段；調(diào)節(jié)范圍大，對(duì)公差要求不高，非常適于初等產(chǎn)品的低成本生產(chǎn)；功率容量大，采用電耦合輸入輸出，所以產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性很好。第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日主要由諧振腔、諧振導(dǎo)體、調(diào)諧釘組成第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日無加載電容第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的結(jié)構(gòu)第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器的結(jié)構(gòu)第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)濾波器的特性與濾波器的設(shè)計(jì)關(guān)系很大，濾波器的抑制特性一般采用三種設(shè)計(jì)函數(shù)：1、巴特沃斯函數(shù)；2、切比雪夫函數(shù)；3、橢圓函數(shù)。濾波器的損耗近似計(jì)算公式為：L≈4.34×f0/BW/Q*∑gk。一般來說，濾波器的特性存在以下規(guī)律：a)濾波器的級(jí)數(shù)越多，帶外衰減越快；b)Q值越高，損耗越小；c)通帶帶寬越寬，損耗越小；d)工作頻率越高，損耗越大；第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)微波帶通濾波器的一種常用的方法是從集中元件的低通原型出發(fā)，經(jīng)過頻率變換，導(dǎo)出集中參數(shù)耦合諧振器帶通濾波器的設(shè)計(jì)公式，然后用微波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這些耦合結(jié)構(gòu)和諧振器，從而得到微波帶通濾波器。首先根據(jù)濾波器的頻率和阻帶抑制要求選定合適的低通濾波器原型。第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日低通原型元件數(shù)值表第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日從下圖(a)只有一種電抗元件的低通原型出發(fā)，經(jīng)過低通到帶通的頻率變換，即可得到所需要的設(shè)計(jì)公式。第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日

圖（b）是經(jīng)過圖（a）的頻率變換得到的，圖中的Lrj,Crj是第j個(gè)諧振器并聯(lián)的電感和電容，j01是個(gè)諧振器間的導(dǎo)納變換器，用他們是并聯(lián)的諧振器相互耦合起來，從而構(gòu)成了帶通濾波器。第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日上圖（b）中的導(dǎo)納變換器可以用圖（c）的電路來替換后，電路變成圖（d）。第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日?qǐng)D（c）中的串聯(lián)電容就是圖（d）中的耦合電容Cj,j+1

，其并聯(lián)的負(fù)電容必須合并到相鄰的并聯(lián)諧振器的正電容內(nèi)，使的電路的總電容為正，即為電容Cj。第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日經(jīng)過計(jì)算可得：相鄰兩個(gè)諧振器間的耦合系數(shù)：計(jì)算得出各諧振器之間的耦合系數(shù)以后，通過用AnsoftHFSS進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)仿真，從而得出實(shí)際的尺寸結(jié)構(gòu)。第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器中的交叉耦合交叉耦合：它的原理實(shí)際上就是引入傳輸函數(shù)的零極點(diǎn)和副零極點(diǎn)利用交叉耦合技術(shù)可以大大的改善濾波器的帶外抑制及時(shí)延和相位特性。按結(jié)構(gòu)及作用等一般分為容性交叉耦合、感性交叉耦合，感性耦合一般為正耦合，容性耦合又可分為正耦合和負(fù)耦合。不同的耦合有不同的作用。第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日感性交叉耦合第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日容性交叉耦合第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日容性交叉耦合第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日左圖為不加交叉耦合的圖形，右圖為加交叉耦合后的圖形第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段1.GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）全球移動(dòng)通訊系統(tǒng),頻率范圍中國(guó)移動(dòng)GSM900上行：890MHz-909MHz；下行：935MHz-954MHz。中國(guó)聯(lián)通GSM900上行：909MHz-915MHz；下行：954MHz-960MHz。GSM1800（DCS）上行：1710MHz-1785MHz下行：1805MHz-1880MHz第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段2.CDMA(Code-DivisionMultipleAccess)碼分多址上行：824MHz-849MHz；下行：869MHz-894MHz。目前中國(guó)聯(lián)通CDMA使用的頻率為上行：825MHz-835MHz；下行：870MHz-880MHz第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段3.TD-SCDMA（TimeDivisionSynchronousDodeDivisionMultipleAccess）時(shí)分同步碼分多址接入頻率范圍1880MHz-1920MHz;2010MHz-2025MHz；補(bǔ)充頻段：2300MHz-2400MHz。第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段4.WCDMA（WidebandCDMA）寬帶分碼多工存取頻率范圍上行：1920MHz-1980MHz下行：2110MHz-2170MHz第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段5.PHS(PersonalHandlingSystem)個(gè)人手持設(shè)備目前國(guó)內(nèi)典型應(yīng)用頻率為1900MHz-1910MHz1900MHz-1915MHz1900MHz-1920MHz第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段6.WLAN(wirelesslocalareanetwork)無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)在5.8GHz和2.4GHz兩個(gè)頻段都可以用做無線局域上網(wǎng)頻段,2.4GHz:2400MHz-2483.5MHz5.8GHz:5725MHz-5850MHz第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日濾波器產(chǎn)品簡(jiǎn)介目前的微波濾波器產(chǎn)品主要分為四大系列多路合路平臺(tái)基站系列產(chǎn)品直放站系列產(chǎn)品工程配件產(chǎn)品范圍涵蓋了目前移動(dòng)通信使用的CDMA、GSM、DCS、PHS、WCDMA、WLAN等頻段。第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日主要產(chǎn)品：基站雙工器、濾波器無源模塊（濾波器系列）用于CDMA\GSM\WCDMA\TD\DCS各系統(tǒng)間的合路多路合路平臺(tái)工程配件雙頻合路器三頻合路器功分器耦合器CDMA/GSM、GSM/DCS、WCDMA/WLAN等雙頻合路器CDMA/GSM/PHS、PHS/WCD