板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第39頁(yè)共39頁(yè)目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1引言 22濾波器的的發(fā)展簡(jiǎn)況 23濾波器的分類 34濾波器的應(yīng)用 35濾波器的新結(jié)構(gòu)的介紹 55．1同軸腔900MHz濾波器 55．2梳狀濾波器 65．32GHz頻段濾波器 75．4矩形波導(dǎo)濾波器 95．5調(diào)諧微波濾波器 105．6變?nèi)莨茈娬{(diào)諧微波帶通濾波器 115．7高溫超導(dǎo)微波帶通濾波器 115．8多層陶瓷微波濾波器： 126濾波器設(shè)計(jì)的第一步 127板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì) 147．1板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單原理 147．2板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法 167．3其他問題 208指定濾波器的設(shè)計(jì) 22TOC\o"1-2"\h\z\u8．1確定n及……： 228．2計(jì)算濾波器通帶內(nèi)的有功損耗，看是否超過允許值 228．3計(jì)算指的寬度和指間距 238．4側(cè)壁間距離Ｌ 238．5設(shè)計(jì)的指定的濾波器 26結(jié)論 26致謝 26參考文獻(xiàn) 26附錄 281引言微波濾波器,就其基本諧振單元和耦合結(jié)構(gòu)來(lái)說，屬于邊界電磁場(chǎng)--即“場(chǎng)”問題。但一般的設(shè)計(jì)方法是用“路”理論．用“網(wǎng)絡(luò)綜合法”。從低通原型開始．經(jīng)頻率變換導(dǎo)出各種電路網(wǎng)絡(luò)，然后再用微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)之。理想的濾波器應(yīng)該是這樣的一種二端口：在通帶范圍內(nèi)他能使微波信號(hào)完全傳輸，而在阻帶范圍內(nèi)它使微波信號(hào)完全不能傳輸。然而，我們只能設(shè)計(jì)出一種接近理想濾波特性的濾波器。濾波器在許多射頻/微波的應(yīng)用中扮演了重要角色。濾波器常用于分開或結(jié)合不同頻率的電磁波，光譜是有限的是必須被共享的;濾波器就是用來(lái)選擇或限制射頻/微波信號(hào)并且在里面分配了頻譜界限。最初是應(yīng)用在如無(wú)線通信，接著用更為嚴(yán)格的要求向射頻/微波濾波器更高的性能，更小的體積,更輕的體重,更低的費(fèi)用發(fā)起挑戰(zhàn)。依靠需求和規(guī)格，射頻/微波過濾器可能被設(shè)計(jì)為集總元件或分配元件線路;他們可能在各種不同的傳輸光結(jié)構(gòu)中被實(shí)現(xiàn),像是波導(dǎo)，同軸電纜和微波傳輸帶。新奇材料和制造技術(shù)的最新進(jìn)步,包括單片集成電路的微波集成電路(MMIC),微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS),顯微機(jī)械加工，高溫超導(dǎo)體(HTS)和低溫制窯(LTCC),刺激著新微波傳輸帶和其他的濾波器的高速發(fā)展。在此其間,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)工具,如電磁全波(EM)模擬器已經(jīng)被徹底改革為有著先進(jìn)的過濾特性的許多新穎的微波傳輸帶濾波器已經(jīng)被示范。本文簡(jiǎn)單介紹了一下濾波器的分類和一些新結(jié)構(gòu)濾波器，著重介紹了最簡(jiǎn)單的帶通濾波器的設(shè)計(jì)——板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)。2濾波器的發(fā)展簡(jiǎn)況早在六十多年前，通信技術(shù)就應(yīng)用了古典式的濾波器。1917年美國(guó)的康貝爾和德國(guó)的華格耐爾分別發(fā)明了LC電氣濾波器。1922年索貝爾根據(jù)傳輸線理論，提出了特性參數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)方法。此后，隨著現(xiàn)代理論和實(shí)踐的不斷發(fā)展，使人們認(rèn)識(shí)到集中的、線性的、有限的、無(wú)源的和雙向的系統(tǒng)阻抗函數(shù)和其他轉(zhuǎn)移函數(shù)，都是復(fù)頻變量的有理函數(shù)。于是在1924～1941年間，法斯特爾、達(dá)林頓、考爾、比羅基和柯色等人，先后又解決了已知的系統(tǒng)阻抗函數(shù)和其他轉(zhuǎn)移函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。亦即運(yùn)用連分式展開和部分分式展開的方法，這就是現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)綜合技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)的特性可由網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來(lái)表示，而網(wǎng)絡(luò)函數(shù)又根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性的不同，可用波德瓦爾茲、切比雪夫、高斯、貝塞爾等數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來(lái)近似表示。這樣就構(gòu)成了與這些名稱相對(duì)應(yīng)的濾波器，例如波德瓦爾茲濾波器、切比雪夫?yàn)V波器等等。隨著無(wú)線電工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多具有高質(zhì)量因數(shù)的元件和諧振器。將他們應(yīng)用于濾波器網(wǎng)絡(luò)，使濾波器的元件數(shù)目大大減少，體積大大減小，參數(shù)性能和穩(wěn)定性明顯提高，擴(kuò)大了頻段和帶寬范圍。同時(shí)也提高了生產(chǎn)綠，降低了成本。這些都是直接用L、R、C組裝的濾波器不能比擬的?，F(xiàn)代通信技術(shù)中，廣泛地應(yīng)用了聲提波晶體濾波器、陶瓷濾波器、梳狀濾波器、高溫超導(dǎo)濾波器等等。3濾波器的分類濾波器的分類，按頻段可以分為音頻、射頻和微波濾波器；按基本元件的電路結(jié)構(gòu)可分為梯形濾波器和格形濾波器；按所有元件的特點(diǎn)可以分為L(zhǎng)C、RC濾波器、具有分布元件的濾波器和具有電機(jī)械元件的濾波器；按網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有無(wú)能源又可分為有源和無(wú)源濾波器；大多數(shù)還是按在電子設(shè)備中的頻率鑒別特點(diǎn)分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種濾波器，其定義如下：⑴低通濾波器它能通過從零頻率到某一確定的截止頻率的一個(gè)頻帶的能量，并抑制超過這個(gè)頻率范圍的所有能量通過。⑵高通濾波器它能通過某一個(gè)確定的截止頻率以上的一個(gè)頻帶的能量，并抑制這個(gè)頻率以下的能量通過。⑶帶通濾波器它能通過某一個(gè)較低截止頻率到某一個(gè)較高截止頻率范圍內(nèi)的波的能量，而抑制此兩個(gè)頻率范圍之外的所有能量的通過。⑷帶阻濾波器它能抑制某一個(gè)不需要的頻率或頻段的波的能量通過，而不在這個(gè)頻率或頻段范圍的全部能量都將通過。⑸全通濾波器它能通過輸入信號(hào)全部頻率的能量，但對(duì)不同的頻率會(huì)產(chǎn)生預(yù)定是相移。4濾波器的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備在各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。因而濾波器的應(yīng)用也越來(lái)越多，幾乎成為電子設(shè)備中不可缺少的器件。⑴預(yù)選濾波器在所有高靈敏度的接收機(jī)的輸入端，都需要預(yù)選濾波器。它能將需要與不需要的電信號(hào)分開。要求這種濾波器對(duì)需要的電信號(hào)呈現(xiàn)很低的介入損耗，而對(duì)于不需要的電信號(hào)呈現(xiàn)很高的衰減。通常預(yù)選濾波器在重要的頻帶上是可以調(diào)協(xié)的。⑵中頻濾波器一個(gè)典型的接收機(jī)，輸入信號(hào)在經(jīng)過預(yù)選濾波器選擇之后，下一步就是在中頻放大器內(nèi)進(jìn)行選擇。通常，將這種濾波器設(shè)計(jì)在兩個(gè)或三個(gè)中間級(jí)單元中，并用電子管或晶體管將它們隔開。⑶單邊帶（SSB）濾波器比之對(duì)稱特性的預(yù)選濾波器來(lái)說，單邊帶濾波器需要不對(duì)稱的衰減特性。其目的是將不需要的邊帶抑制到使之在所接收的信號(hào)中不產(chǎn)生明顯的幅度畸變和不穩(wěn)定性。不需要的邊帶抑制不充分，就會(huì)引起不希望有的拍頻。⑷梳狀濾波器當(dāng)信號(hào)在一個(gè)周期脈沖系列表示時(shí)，其最佳濾波器可為一個(gè)由窄帶濾波器鏈組成的梳狀濾波器，它通過不連續(xù)的頻率成分，并區(qū)分出噪音（噪音通常具有連續(xù)的頻譜）。梳狀濾波器最重要的應(yīng)用是取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（如衛(wèi)星、飛機(jī)和導(dǎo)彈等）的多普勒頻率漂移數(shù)據(jù)。進(jìn)入的信號(hào)將激勵(lì)這些濾波器中的一個(gè)，并僅僅在那條通道上建立起輸出。⑸多路傳輸濾波器遠(yuǎn)距離大型通信系統(tǒng)，如果沿著一條線只能傳輸一個(gè)信息，這將是很不經(jīng)濟(jì)的。采用多路傳輸技術(shù)可以同時(shí)傳輸很多個(gè)信息，這樣，就從根本上將每個(gè)信道的價(jià)格降低了很多。對(duì)這種濾波器的主要要求是在通帶外有盡可能尖銳的衰減，以抑制通道之間的串音，并且可以在同一條線內(nèi)容納更多的信息。⑹抗干擾濾波器如果雷達(dá)系統(tǒng)沒有抗干擾的措施，人為產(chǎn)生的干擾噪音可能完全使雷達(dá)目標(biāo)消失。為了改善對(duì)目標(biāo)的操縱和探測(cè)能力，需要一些特殊性能的設(shè)備，而窄帶濾波器是關(guān)鍵的器件。在這種情況下的主要要求是在脈沖信號(hào)下工作的濾波器，應(yīng)當(dāng)既具有選擇性又具有減小超調(diào)量和瞬時(shí)擾動(dòng)的能力。為滿足這些要求，濾波器的頻率特性曲線通常是貝塞爾型或高斯型。5濾波器的新結(jié)構(gòu)的介紹5.1同軸腔900MHz濾波器在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大覆蓋區(qū)域或解決“暗區(qū)”問題，需建立直放站。其雙工器濾波器的設(shè)計(jì)，由于諧振波長(zhǎng)較長(zhǎng)，諧振單元不宜采用諧振器．而應(yīng)采用終端“同軸電容”加載的諧振腔。實(shí)際長(zhǎng)度約為的60％～75％之間。這種加載形式提高了腔體空間的利用率，同時(shí)Q值幾乎沒有下降。而且合理選擇各零件的材料，可使溫度補(bǔ)償達(dá)到最佳。根據(jù)帶通濾渡器設(shè)計(jì)的方法，一般有四腔、六腔和七腔濾波器。圖1是七腔濾波器的典型結(jié)構(gòu)，圖2是它的典型電氣曲線。圖1900MHz七腔濾波器的典型結(jié)構(gòu)圖圖2900MHz七腔濾波囂電氣曲線囤濾渡器盒體用鋁材加工，內(nèi)導(dǎo)體用黃銅，螺釘用鋼；或者內(nèi)導(dǎo)體和螺釘同時(shí)采用優(yōu)質(zhì)鋼棒加工。各加工件表面均電鍍銀。調(diào)試時(shí)諧振螺釘調(diào)節(jié)運(yùn)帶中心，腔間電感窗處的螺釘調(diào)節(jié)切比雪夫等波動(dòng)。它的通頻帶為890～915MHz和935～960MHz兩種。濾波器盒體與蓋板的接觸良好是影響性能的重要困索。應(yīng)在電流端多增加蓋板固定螺釘，提高短路效果，防止電磁場(chǎng)外漏。5.2梳狀濾波器梳狀濾波器是另一類應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)帶通型式。當(dāng)通頻帶帶寬在2％以上，且工作頻率不高于3GHz時(shí)．這種結(jié)構(gòu)形式是極理想的選擇。它的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是諧振桿采用截面方形，終端采用集中參數(shù)的“平板電容”調(diào)諧。這種設(shè)計(jì)加工復(fù)雜，往往需采用數(shù)控線切割機(jī)加工，造成成本高、周期長(zhǎng)，且終端平扳電容在頻率高時(shí)不如終端同軸電容合理。特別是輸入、輸出結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易調(diào)試。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)的濾波器。圈3是六諧振器的梳狀濾波器，圖4是它的典型電氣曲線。盒體用鋁板加工，諧振桿和調(diào)節(jié)螺釘?shù)牟牧线x擇準(zhǔn)則同前所述。工作頻率可在2.45～2．6CHz上調(diào)協(xié)。調(diào)諧端增加調(diào)諧螺釘，可降低加工精度和提高響應(yīng)曲線的質(zhì)量。入、出耦臺(tái)采用“抽頭”耦合。改變耦合點(diǎn)的位置可使回波損耗曲線最佳。實(shí)踐表明，這種結(jié)構(gòu)的濾波器性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖3六諧振器梳狀濾波器結(jié)構(gòu)圖圖4六諧振器梳狀濾波器電氣曲線5.32GHz頻段濾波器微波接力信道機(jī)的前端分支電路，主要是由波道濾波器及分支線構(gòu)成。由于信道帶寬小于1％，且波道配置是一系列離散的頻率點(diǎn)。因此，需要可寬頻率范圈調(diào)諧的窄帶帶通濾波器，不但中心頻率可調(diào)，級(jí)聯(lián)耦合也可調(diào)。另外輸入、輸出耦合也必須可調(diào)以使各頻點(diǎn)的回波損耗最佳。因此，腔體濾波器是最理想的方案。傳統(tǒng)的同軸腔濾波器的結(jié)構(gòu)一般是用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)型材為基礎(chǔ)，用銀焊耦合片及內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)往往造成內(nèi)腔壁污染、腔體高溫變形以及耦合不可微調(diào)等缺點(diǎn)。近年來(lái)由于加工工藝的發(fā)展，分別設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)的雙腔、四腔和五腔2GHz頻段帶通濾波器。圖5是典型的五腔結(jié)構(gòu)圖，其典型電氣曲線見圖6。腔體的蓋板設(shè)計(jì)在諧振單元的開路端使電流損耗最小。內(nèi)導(dǎo)體固定于腔體底面。內(nèi)導(dǎo)體也可與腔體加工成一體，其精度高、一致性好，蓋板應(yīng)有定位孔使電容同心度好，容易調(diào)試。腔體的排列和級(jí)數(shù)可以方便地改變和增減。圖52GHz五腔濾波器結(jié)構(gòu)圖圖62GHz五腔濾波器電氣曲線5.4矩形波導(dǎo)濾波器從矩形空腔膜諧振單元的體積和加工精度來(lái)說，這種形式的濾波器從X波段直到Ku波段都可得到較滿意的效果。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不論是由電感銷釘還是電感膜片構(gòu)成的濾波器中，均有如下問題：其一是必須選標(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)管，這樣就使濾波器的結(jié)構(gòu)死板，并且兩端的聯(lián)連必須用法蘭，若直接與同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換一體加工，則不能分別調(diào)試；其二是諧振單元本身，由于邊長(zhǎng)和高度是固定的，不能得到最佳Q值；其三是加工工藝使腔壁變形和內(nèi)壁污染造成不希望的損耗。在微波信道機(jī)中，收、發(fā)信機(jī)的接口一般為同軸口，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)波道必須增加轉(zhuǎn)接器．這樣就造成結(jié)構(gòu)死板，特別是在上、下變頻器中，這種濾渡器是很不合理的。而采用新結(jié)構(gòu)的濾波器，輸入輸出均用同軸頭，腔體濾波器用板材加工，諧振腔單元做成方腔。這樣．腔單元的Q值和濾波器的效率可達(dá)到最佳，各單元的排列也可自由，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、靈活，特別是在部件中使用這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。采用這種結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了7GHz、8GHz和11GHz頻段的各種濾波器。圖7和圖8分別是8G赫茲頻段濾渡器的典型結(jié)構(gòu)圖和電氣曲線圖。腔體材料可用鋁扳材普通加工，優(yōu)點(diǎn)是加工容易、成本低，內(nèi)表面的光潔度好；其缺點(diǎn)是溫度特性稍差。也可用“優(yōu)質(zhì)鋼板數(shù)控線切割機(jī)加工，其精度高，調(diào)試容易，溫度特性好，但內(nèi)表面的光潔度稍差。不管采用哪種材料，通帶寬度的設(shè)計(jì)應(yīng)留有充分的溫度裕量。調(diào)試時(shí)應(yīng)注意根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度，以及穩(wěn)漂系數(shù)折算出“調(diào)試中心”頻率來(lái)，代替實(shí)際的中心頻率。圈78GHz五腔濾波器結(jié)構(gòu)圖圖88GHz五腔濾波器電氣曲線5.5調(diào)諧微波濾波器調(diào)諧微波濾波器的腔間耦合大多采用圓孔耦合。這種耦合結(jié)構(gòu)對(duì)于窄帶調(diào)諧濾波器來(lái)說，其調(diào)諧范圍很小，而對(duì)寬帶調(diào)諧濾波器，雖然調(diào)諧范圍有所改善，但會(huì)產(chǎn)生大波紋效應(yīng)，使濾波特性變差。詳細(xì)地分析了圓孔耦合結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，提出了用矩形孔作為調(diào)諧微波濾波器的腔間耦合結(jié)構(gòu)。另外，傳統(tǒng)分析方法中用橫截面孔的等效電路模型作為側(cè)面耦合孔的等效電路模型是不合理的，因此建立了腔間側(cè)面孔的等效集總參數(shù)電路模型。而由這種等效電路所推導(dǎo)出的濾波器的通帶寬度公式也只適用于小尺寸孔的耦合，對(duì)于大尺寸矩形孔，關(guān)于孔面上場(chǎng)分布對(duì)濾波器通帶寬度的影響，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了修正公式。實(shí)驗(yàn)證明：通過采用矩形孔作為調(diào)諧微波攄波器的腔間耦合結(jié)構(gòu)，不僅可以極大地?cái)U(kuò)大微波濾波器的調(diào)諧范圍，保證其通帶寬度在較大的調(diào)諧范圍內(nèi)基本不變，而且還消除了大帶寬濾波器中的大波紋效應(yīng)。5.6變?nèi)莨茈娬{(diào)諧微波帶通濾波器微波濾波器是隨著微波技術(shù)的發(fā)展而應(yīng)用日益廣泛，它工作于高頻段，具有與一般濾披器不同的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。電調(diào)諧微波濾波器在電子支援措施(EsM—ElectronicSopportMeasures)接收系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)通常要求濾波器具有較寬的調(diào)諧范圍和較高的Q值．由于電調(diào)諧帶通濾波器的中心頻率的變化給電路實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大的困難，如插損問題和駐波問題．描述的電調(diào)諧濾波器是針對(duì)航天部某工程接收系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)完成的．系統(tǒng)不僅要求調(diào)諧頻率的范圍寬，調(diào)諧速度高，而且在調(diào)諧頻率的范圍內(nèi)濾波器的響應(yīng)形狀要保持不變，又由于濾波器工作在微波高頻段，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大?，F(xiàn)在應(yīng)有廣泛的是YIG小球磁調(diào)濾波器。其無(wú)載Q值很高，可達(dá)10000，它的鐵磁諧振頻率可用電控偏置磁場(chǎng)H。的大小，在倍頻程以上的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電調(diào)，然而它的電調(diào)諧速度受到磁滯效就的影響，難以提高．為了滿足調(diào)諧速度高這個(gè)要求，采用變?nèi)莨茈娬{(diào)諧技術(shù)，電調(diào)變?nèi)莨躊N結(jié)的耗盡層電容隨外加偏壓而變化，不存在磁滯，此外電調(diào)變?nèi)莨艿姆聪蚵╇娏餍?，幾乎沒有功耗。5.7高溫超導(dǎo)微波帶通濾波器微波帶通濾波器是一種應(yīng)用很廣泛的微波器，以往使用的常溫導(dǎo)體微波器件體積大、成本高，噪聲隨頻率升高很快，這對(duì)衛(wèi)星通訊等多級(jí)放大的遠(yuǎn)距離通信來(lái)說影響比較大，熱噪聲會(huì)引起信號(hào)畸變，經(jīng)多級(jí)放大和遠(yuǎn)距離通信后，失真加重，信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性下降，影響接收效果。高溫超導(dǎo)材料具有極高的無(wú)載Q值和理想的微波特，用這種材料制成的器件微波性能很好，具有很低的插入損耗及帶內(nèi)衰減，并且有非常陡的平移特性，這樣可以充分利用信號(hào)頻帶，增加互不干擾的信道數(shù)量，并能避免信號(hào)傳輸失真。超導(dǎo)濾波器不僅帶內(nèi)衰減低，而且相位延時(shí)和色散特性也大為改善，所以具有誘人的發(fā)展前景。目前對(duì)高溫超導(dǎo)濾波器的研制開發(fā)結(jié)果表明它具有很大的應(yīng)用潛力。隨著高溫超導(dǎo)研究的進(jìn)一步發(fā)展，高溫超導(dǎo)材料可以替代以往的常規(guī)材料，制成低損耗、高Q值、體積小的元件。選擇帶通濾波作為研究對(duì)象，在結(jié)構(gòu)上，采用平行耦合標(biāo)準(zhǔn)微帶結(jié)構(gòu)。作為對(duì)器件的進(jìn)一步改善，對(duì)平行耦合懸置微帶結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)考慮。5.8多層陶瓷微波濾波器濾波器是一種用來(lái)抑制噪聲，使信號(hào)通過的電子元器件。它廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和家電系統(tǒng)等領(lǐng)域。工作于低頻段的無(wú)源濾波器可以采用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)工作頻率超過0.5GHz時(shí)，由于工作波長(zhǎng)與濾波器元件的物理尺寸可相比擬，若仍采用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，就會(huì)因?yàn)榇嬖诙喾矫娴膿p耗而使電路性能嚴(yán)重惡化，所以此時(shí)的濾波器必須采用分布參數(shù)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是通信行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于小體積、高性能和低成本的工作于0.9GHz，1.8GHz，2.4GHz，5.8GHz等射頻、微波頻率范圍內(nèi)的濾波器的需求量大大增加。多層陶瓷微波濾波器由于具有體積小、重量輕和性能好等諸多優(yōu)勢(shì)，在通信系統(tǒng)、家電系統(tǒng)等領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的重視。目前，在多層陶瓷微波濾波器的研究、開發(fā)和應(yīng)用中，美國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家掌握了比較成熟的技術(shù)，而我國(guó)雖然已經(jīng)引進(jìn)了一些國(guó)外的生產(chǎn)設(shè)備，但仍處于試驗(yàn)、探索階段，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，尤其在理論研究和具體設(shè)計(jì)方面，很少涉及。6濾波器設(shè)計(jì)的第一步對(duì)于每一種濾波器，設(shè)計(jì)的第一步就是：根據(jù)給定的插入衰減一頻率響應(yīng)的要求，確定：濾波器低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該用幾個(gè)元件（亦即n等于幾）？每一個(gè)元件或歸一化數(shù)值應(yīng)為多少？因?yàn)闉V波器的下一步設(shè)計(jì)，將直接和及發(fā)生關(guān)系。具體步驟如下：⑴確定濾波器在低通、高通、帶通、帶阻等四種形式中選哪一中形式？并且根據(jù)不同的濾波器及其特點(diǎn)，選定濾波器的結(jié)構(gòu)形式。⑵根據(jù)對(duì)濾波器插入衰減及相位的要求，確定濾波器的插入衰減和頻率的關(guān)系取為最大平滑式還是切比雪夫式。一般情況下均取切比雪夫式。因其阻帶內(nèi)插入衰減上升快。換句話說，在滿足同樣的阻帶要求的情況下，此種濾波器中需要使用的元件的數(shù)目少，因而便于制造和調(diào)整。只有在對(duì)濾波器相位——頻率關(guān)系的非線性度有較高的要求時(shí)，才考慮是否取最大平滑式。但即使是這樣，在其通帶內(nèi)的相位——頻率關(guān)系也不完全是線性的。⑶根據(jù)對(duì)濾波器插入衰減——頻率響應(yīng)的要求，確定濾波器等效梯形網(wǎng)絡(luò)中必須應(yīng)用的元件數(shù)目n等于幾。因?yàn)橐阎枳柚沟念l率之?dāng)?shù)值，對(duì)于該中形式濾波器，算出它相應(yīng)的相對(duì)頻率之?dāng)?shù)值。根據(jù)算得的的值以及要求的值利用特性曲線，當(dāng)取定通帶內(nèi)最大的插入衰減值時(shí)，就可以定出：為在處達(dá)到（db）值，濾波器低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)中必須的元件數(shù)目n。若n非整數(shù)，則可取下一個(gè)較大整數(shù)。通帶內(nèi)的衰減是由設(shè)計(jì)者自己根據(jù)要求選定的。⑷根據(jù)濾波器插入衰減——頻率響應(yīng)的函數(shù)形式（是切比雪夫式或最大平坦式），取定的通帶內(nèi)插入衰減值，以及濾波器低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)中元件的數(shù)目n,查表得到濾波器效梯形網(wǎng)絡(luò)中各元件的數(shù)值。7板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)7．1板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單原理板線交叉指狀帶通濾波器的的結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中如手指狀伸在兩快平行蓋板中間的金屬條（編號(hào)由1→n），其長(zhǎng)度為l（近于λ。/4），是λ/4諧振器。對(duì)于中等帶寬以內(nèi)的交叉指狀帶通濾波器，編號(hào)為0及（n＋1）的兩條金屬條不是諧振器而是輸入、輸出線。它們各自有一端和輸入、輸出同軸線的內(nèi)導(dǎo)體相聯(lián)。金屬條——簡(jiǎn)稱“指”——的厚度均為t，而板線上、下蓋板之間的距離為b。兩個(gè)側(cè)壁間的距離L取λ。/4（λ。為濾波器通帶中心頻率對(duì)應(yīng)之波長(zhǎng)）。此種結(jié)構(gòu)的濾波器，在電性能上相當(dāng)于一組位于兩塊金屬蓋板之間的爬行耦合線，如圖10所示。其截面如圖11所示。它適合于設(shè)計(jì)通帶寬度在30％以內(nèi)的帶通濾波器。當(dāng)寬度進(jìn)一步加大時(shí)，此種形式的濾波器在制造上將難以實(shí)現(xiàn)。在圖11中，Ck(k=0，1，2，……n+1)稱為每一個(gè)指的“自電容”，Ck,k+1(k=0,1,……n)稱為指之間的“互電容”，Wk(k=0，1，2，……n+1)稱為每個(gè)指的“寬度”，SK,K+1(k=0,1,……n)稱為“指間距”。設(shè)計(jì)時(shí)主要的任務(wù)是根據(jù)對(duì)濾波器的要求，計(jì)算出各個(gè)指的寬度Wk，以及指間距離Sk,k+1。圖9交叉指狀帶通濾波器圖10交叉指狀帶通濾波器圖11金屬蓋板之間的一組平行耦合線7．2板線交叉指狀帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法對(duì)于此濾波器有：相對(duì)頻率=w。==，為通帶的兩個(gè)邊界頻率7.2.1確定n，g。，……，的數(shù)值根據(jù)對(duì)濾波器的要求，確定出濾波器低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)中必須使用的元件數(shù)目（即為本濾波器中諧振器的數(shù)目），以及各元件g。，……，的數(shù)目。7.2.2計(jì)算濾波器通帶內(nèi)的有功損耗，看是否超過允許值濾波器通帶中心頻率處的有功損耗為：=（db）式中=：為每個(gè)諧振腔的無(wú)載Q值。n:濾波器低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)中元件的數(shù)目。：濾波器低頻等效梯形網(wǎng)絡(luò)中元件的數(shù)值。7.2.3利用曲線查指的“寬度”和“指間距”Sk,k+1的方法：設(shè)計(jì)通帶寬度在1％——10％之間，且以空氣為介質(zhì)的板線交叉指狀帶通濾波器，其各指的寬度和“指間距”Sk,k+1可以查曲線（附錄圖1—圖8）而得。曲線是對(duì)以下幾種情況作出的。①帶寬：由1％——10％②n:分別為3，4，5，6，7，8③對(duì)最大平坦式濾波器，=3（db）對(duì)切比雪夫式濾波器，=0.01,0.1,0.5(db)曲線的使用方法如下：曲線上的尺寸是對(duì)應(yīng)于板線尺寸為b=8,t=1.6的，如果板線尺寸雖不同，但t/b仍為0.2，則此時(shí)和Sk,k+1可以按下法求得：若對(duì)于：b=8,t=1.6(t/b=0.2)查得：Wk(k=0，1，2，……n+1)及SK,K+1(k=0,1,……n)則對(duì)于：b=，t=(/=0.2)有：==及==7.2.4用公式計(jì)算指的“寬度”和“指間距”Sk,k+1的方法：如果對(duì)濾波器的要求使得上述曲線無(wú)法利用（例如不在1％—10％內(nèi)），可以利用下述步驟來(lái)計(jì)算和Sk,k+1：⑴計(jì)算每一個(gè)指的自電容和互電容：，：輸入、輸出同軸線的特性導(dǎo)納植K=1，2，……，n-1K=1,2,……,n-1求各個(gè)指的“自電容”/K=2，3，……n-1求各個(gè)指之間的“互電容”：K=1，2，……n-1在上述各式中的參量h應(yīng)先由下式解出，然后在代入各式中進(jìn)行計(jì)算：令：并解出h值式中：K=n/2,當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，K=（n+1）/2,當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)。此式的意義在于使濾波器內(nèi)各腔的無(wú)載Q值和能高一些。上述各式中和分別為板線內(nèi)充填的介質(zhì)的介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)于空氣有=1。⑵利用各個(gè)指之間的互電容求“指間距”Sk,k+1：Sk,k+1可由的值，按附錄圖9上——的曲線查得。求出的為，因b已知，故Sk,k+1可知。圖中移動(dòng)參量為t/b，=。⑶求各個(gè)指的“寬度”：先利用附錄圖9上的——的曲線，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)求出的“指間距”Sk,k+1求出對(duì)應(yīng)的。然后按下述各式進(jìn)行計(jì)算：K=1，2，……n式中：C。/，，為每個(gè)指的自電容可以根據(jù)t/b的值由附錄圖10查得。對(duì)t/b=0.2，=0.695。如果任何一個(gè)求出的，則之值應(yīng)修正為值，修正值：7.2.5側(cè)壁間距離LL=，為濾波器通帶中心頻率對(duì)應(yīng)之波長(zhǎng)。若有介質(zhì)時(shí)，為該介質(zhì)中之波長(zhǎng)。7.2.6指長(zhǎng)l濾波器中各指（1，2，……n）的長(zhǎng)度均為l，它可由實(shí)驗(yàn)方法最后確定，因?yàn)楣蔿可先取得比稍短一、二個(gè)毫米，然后用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出濾波器通帶位置，并利用上式，只需一，兩次實(shí)驗(yàn)，即可以找到合適的l，使濾波器通帶位于預(yù)定的位置上。7.3其他問題7.3.1減小通帶內(nèi)有功損耗之關(guān)鍵：對(duì)窄帶濾波器，上下蓋板和側(cè)壁配合是否緊密是減小通帶內(nèi)有功損耗的關(guān)鍵。濾波器內(nèi)表面的光潔度對(duì)有功損耗亦有明顯的影響，一般依波長(zhǎng)不同可在。7.3.2調(diào)諧螺釘：可在腔（“指”1，2，……n）的對(duì)面擰入，螺紋細(xì)牙，且需防止松動(dòng)。對(duì)b=16，t=3.2的濾波器，指對(duì)面伸入的一只M5螺釘，在S波段可調(diào)頻帶超過100Mc，對(duì)C波段超過500Mc。應(yīng)適當(dāng)調(diào)整指的長(zhǎng)度l，以使剛好調(diào)諧時(shí)，調(diào)諧螺釘進(jìn)入腔內(nèi)不太深（例如1—2mm），以減小有功損耗，并減小溫度的影響。7.3.3同軸線一板線的連接①同軸線為50—7同軸線，板線尺寸為b=16，t=3.2:如圖12所示的變換。在1500-7000Mc內(nèi)，駐波約為1.05。圖1250——7同軸線到b=16，t=3.2的板的線的過渡②同軸線為50—7同軸線，板線尺寸為b=8，t=1.6：如圖13所示，采用了一個(gè)補(bǔ)償間隔，同軸線內(nèi)導(dǎo)體直接和輸入線相聯(lián)。此種過度在4-11Gc內(nèi)，駐波約為1.01。圖1350——7同軸線到b=3，t=1.6的板的線的過渡7.3.4駐波問題：制造出的濾波器如果發(fā)現(xiàn)駐波過大時(shí)，可適當(dāng)減小和的尺寸，即可減小駐波。這可由在W。及（輸入、輸出線）上拼接上一塊金屬薄片來(lái)實(shí)現(xiàn)。7.3.5輸入、輸出線距兩端蓋板之距離見前圖1，取為板線上、下蓋板之間的距離b即可。即b此時(shí)兩端蓋板對(duì)濾波器性能的影響可以忽略不計(jì)。指定濾波器的設(shè)計(jì)欲設(shè)計(jì)S波段帶通濾波器，技術(shù)指標(biāo)如下：中心頻率通帶10Mc通帶內(nèi)衰減的最大值1db欲阻止的頻率：40Mc對(duì)欲阻止的頻率的衰減30db8.1確定n及……：因：欲阻止頻率的相對(duì)頻率為：當(dāng)=4.01時(shí)，對(duì)切比雪夫?yàn)V波器,由附錄圖11得若取：=0.10db，n=3，由附錄圖表12可得8.2計(jì)算濾波器通帶內(nèi)的有功損耗，看是否超過允許值公式為：式中：：趨膚深度（米）（對(duì)銅而言）b:板線接地板距離，t:板線內(nèi)導(dǎo)體的厚度，:半波長(zhǎng)。決定取b=16，t=3.2(毫米)當(dāng)f=2.4Gc，=m則板線諧振器的無(wú)載Q植為：則通帶內(nèi)的有功損耗為：故濾波器通帶內(nèi)插入衰減的最大值=0.43+0.1=0.53db,滿足使用要求。8.３計(jì)算指的寬度和指間距給定輸入、輸出同軸線的特性阻抗為50，相應(yīng)于１／歐姆。8.3.1計(jì)算每一個(gè)指的自電容和互電容：，確定h，令：板線內(nèi)介質(zhì)餓空氣，故有解得：h=4.948.3.2利用互電容求指間距：b=16,t=3.2由之值，查附錄圖9上－／b之曲線得：8.3.3求各個(gè)指的寬度：先由附錄圖9—／b的曲線對(duì)于每一個(gè)／b求出對(duì)應(yīng)的為：以及由附錄圖10得，當(dāng)t/b=0.2時(shí)，／＝0.695各個(gè)指的寬度為：故有：=15.1488=6.4128＝6.50568.4側(cè)壁間距離ＬＬ＝／４＝31.258.5設(shè)計(jì)的指定的濾波器結(jié)論文章對(duì)一些新結(jié)構(gòu)濾波器進(jìn)行了介紹，并簡(jiǎn)述了微波濾波器器的設(shè)計(jì)原理，最后設(shè)計(jì)出了一款指定指標(biāo)的板線交叉指狀帶通微波濾波器，并通過該技術(shù)指標(biāo)微波濾波器的設(shè)計(jì)，對(duì)微波濾波器有了更進(jìn)一步的了解。致謝感謝沙侃老師在這段時(shí)間對(duì)我細(xì)心的指導(dǎo)，給了我充分的支持和鼓勵(lì)。還要感謝周邊同學(xué)對(duì)我的幫助。參考文獻(xiàn)1林為干，微波網(wǎng)絡(luò),國(guó)防工業(yè)出版杜，1978.62姚毅,寬范圍調(diào)諧微波濾波器耦合結(j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