濾波器總結(jié)PPT課件

1、2021-11-151Outline 集總參數(shù)濾波電路 1、濾波器的類型及其特點 2、濾波器由低通原型向其他類型的轉(zhuǎn)化 分布參數(shù)濾波器 1、低通濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 2、高通濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 3、帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 4、帶通濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計第1頁/共85頁2021-11-152濾波器類型及特點指標：指標： 1. 頻率范圍頻率范圍2. 通帶衰減通帶衰減3. 阻帶衰減阻帶衰減4. 寄生通帶寄生通帶5. 群時延特性群時延特性要求：要求：通帶衰減小，阻帶衰減大通帶衰減小，阻帶衰減大 通帶和阻帶之間衰減的變化快通帶和阻帶之間衰減的變化快1. 增加節(jié)數(shù)增加節(jié)數(shù)2. 綜合設(shè)計法綜合設(shè)計法第2頁/共85

2、頁2021-11-153設(shè)計方法 鏡像參量設(shè)計法 傳輸波設(shè)計法 原型電路設(shè)計法 原型電路：以LC作為元件的集總參數(shù)低頻電路，其中L、C的數(shù)值都根據(jù)對濾波器一定的指標要求、以不同的綜合設(shè)計方法求得，由此得出一系列規(guī)格化的元件數(shù)值，列成表格，稱為原型電路元件參數(shù)。 找原型電路與實際濾波器元件值的變換關(guān)系 原型電路元件參數(shù)經(jīng)綜合設(shè)計“最佳化”，設(shè)計參數(shù)“規(guī)格化”第3頁/共85頁2021-11-154第4頁/共85頁2021-11-155最平坦特性 212a b c dad bcSa b c dd b c a 第5頁/共85頁2021-11-156第6頁/共85頁2021-11-157第7頁/共85頁

3、2021-11-158第8頁/共85頁2021-11-159第9頁/共85頁2021-11-1510第10頁/共85頁2021-11-1511第11頁/共85頁2021-11-1512第12頁/共85頁2021-11-1513第13頁/共85頁2021-11-1514第14頁/共85頁2021-11-1515 例1、五階巴特沃茲濾波電路原型向低通轉(zhuǎn)換 五階巴特沃茲濾波電路原型參數(shù)值為：0g1g變換成為截止頻率為2.4835GHz的低通電路元件值為：2g3g4g5g6g0g1g2g3g4g5g6g113.9604 10101.0369 10101.0369 10113.9604 10101.28

4、17 10第15頁/共85頁2021-11-1516將元件值代入到以下電路中第16頁/共85頁2021-11-1517得到電路的性能圖為：第17頁/共85頁2021-11-1518第18頁/共85頁2021-11-1519切比雪夫特性第19頁/共85頁2021-11-1520第20頁/共85頁2021-11-1521第21頁/共85頁2021-11-1522微波半集中參數(shù)低通濾波器第22頁/共85頁2021-11-1523第23頁/共85頁2021-11-1524第24頁/共85頁2021-11-1525第25頁/共85頁2021-11-1526第26頁/共85頁2021-11-1527傳輸線

5、等效電路特點第27頁/共85頁2021-11-1528第28頁/共85頁2021-11-1529第29頁/共85頁2021-11-1530低通濾波器設(shè)計流程第30頁/共85頁2021-11-1531第31頁/共85頁2021-11-1532第32頁/共85頁2021-11-1533第33頁/共85頁2021-11-1534第34頁/共85頁2021-11-1535第35頁/共85頁2021-11-1536第36頁/共85頁2021-11-1537第37頁/共85頁2021-11-1538設(shè)計實例第38頁/共85頁2021-11-1539第39頁/共85頁2021-11-1540第40頁/共85

6、頁2021-11-1541第41頁/共85頁2021-11-1542第42頁/共85頁2021-11-1543第43頁/共85頁2021-11-1544例2、9級0.5dB契比雪夫低通電路原型向高通的轉(zhuǎn)化。原始參數(shù)為：7g8g0g1g2g3g4g5g6g9g10g變換成為截止頻率為2.4835GHz的低通電路元件值為：7g8g0g1g2g3g4g5g6g9g10g36.612P36.612P0.0505n0.0505n24.022p24.022p0.04687n0.04687n22.937p第44頁/共85頁2021-11-1545將元件值代入到以下電路中第45頁/共85頁2021-11-15

7、46得到電路的性能圖為：第46頁/共85頁2021-11-1547由低通原型向帶通濾波電路的轉(zhuǎn)換021202101RLCCCR將串聯(lián)電感L用電容和電感的串聯(lián)電路代替：將并聯(lián)電容C用電容和電感的并聯(lián)電路代替：021212001RLLCRL第47頁/共85頁2021-11-1548例4、將9級0.5 dB契比雪夫歸一電路轉(zhuǎn)化為2.4-2.4835GHz的帶通濾波器。原始參數(shù)和原始電路都和例3相同，由原始參數(shù)根據(jù)變換公式得到的各元件值為：7Lg8Lg1Lg2Lg3Lg4Lg5Lg6Lg9Lg7Cg8Cg1Cg2Cg3Cg4Cg5Cg6Cg9Cg第48頁/共85頁2021-11-1549由原始電路根據(jù)

8、變換規(guī)則得到的電路為：第49頁/共85頁2021-11-1550此電路性能如下：第50頁/共85頁2021-11-1551轉(zhuǎn)換公式為： 將串聯(lián)電感L用電容和電感的并聯(lián)電路代替：將并聯(lián)電容C用電容和電感的串聯(lián)電路代替：2102021011LR LCR L021212001RLCCCR第51頁/共85頁2021-11-1552例3、將9級0.5dB契比雪夫歸一電路轉(zhuǎn)化為2.4-2.4835GHz的帶阻濾波器。原始參數(shù)為：7g8g0g1g2g3g4g5g6g9g10g原始的電路模型為原始的電路模型為 ：第52頁/共85頁2021-11-1553經(jīng)過變換的參數(shù)和電路為：7Lg8Lg1Lg2Lg3Lg4

9、Lg5Lg6Lg9Lg7Cg8Cg1Cg2Cg3Cg4Cg5Cg6Cg9Cg第53頁/共85頁2021-11-1554性能圖如下所示：第54頁/共85頁2021-11-1555下次課內(nèi)容 微波測量 Demo第55頁/共85頁2021-11-1556二、 分布參數(shù)濾波電路 Richards變換 Richards變換利用一定長度的終端開路或終端短路無耗傳輸線構(gòu)造的等效電容或電感，從而可以實現(xiàn)使用分布參數(shù)電路替換集總參數(shù)濾波電路中的相應(yīng)原件。根據(jù)傳輸線理論一段長度為L的終端開路的無耗傳輸線，如果特征阻抗為Z0，則輸入端口的等效阻抗ZIN為：00( )cottan2ZjZljl INZ其中其中 為角頻

10、率為為角頻率為 的電磁波在傳輸線的行波波長，的電磁波在傳輸線的行波波長，以特定的頻率以特定的頻率 為參考頻率，選取無耗傳輸線長度為參考頻率，選取無耗傳輸線長度0fl第56頁/共85頁2021-11-1557為 時，可以得到傳輸線的輸入導(dǎo)納 為：0/8INY0000121( )tan()tan84/INYjjZZff 為歸一化頻率顯然傳輸線的輸入阻抗為負純虛數(shù)，可以等效為電容顯然傳輸線的輸入阻抗為負純虛數(shù)，可以等效為電容的電納。如果比較電容的電納。如果比較電容C的導(dǎo)納和傳輸線的輸入導(dǎo)納的導(dǎo)納和傳輸線的輸入導(dǎo)納 ，可得到：，可得到：INY00011( )tan( )4tan/84Yj CSjYZZ

11、SjRichards cIN其中 為傳輸線的變換。第57頁/共85頁2021-11-1558 對于電容C的導(dǎo)納 ，當(dāng)角頻率從 增加到 時，導(dǎo)納 線性地從零增加到無窮大。對于傳輸線的輸入導(dǎo)納 ，當(dāng)歸一化頻率從 增加到 時（對應(yīng)角頻率從 增加到 ），導(dǎo)納 也從零增加到無窮大。只不過導(dǎo)納 與歸一化頻率 之間不滿足線性關(guān)系，而是按照Richards變換式進行。所以特性阻抗為 、長度為 終端開路無耗傳輸線將電容C在頻率范圍 內(nèi)的導(dǎo)納變化，映射到范圍 內(nèi)，并且在頻率 處與電容C具有相同導(dǎo)納。這種頻率映射就叫做Richards變換。( )CY0( )CY( )INY0 2 002( )INY( )INY10

12、0()ZC0/80f 002ff0f第58頁/共85頁2021-11-1559 Kuroda規(guī)則 Kuroda規(guī)則是一種利用單位元件進行電路變換的規(guī)則。 Kuroda規(guī)則表示為四種電路類型的變換，其中單位元件的特征阻抗為Z1或者Z2,S為Richards變換中的系數(shù)，N是一個與阻抗Z1和Z2相關(guān)的比例系數(shù)。第59頁/共85頁2021-11-1560廣義廣義Kuroda規(guī)則：第60頁/共85頁2021-11-15612112(1),1()111()(1),1()PSZLCLCZCC ZLLCLCC ZLLCMLLCCCC ZL2211111211111111()()11,1()(),PPPPPP

13、SPPPPZ LM CLMZCCM CMCLC ZLZZZ CMCZ MLZZCMLLLMLZ C LZCMCZML第61頁/共85頁2021-11-156212111,1(1),1PLMZZZMCCZZ CMCLLCMCCZ第62頁/共85頁2021-11-156311112311(1),1,L CZZLZZL CC ZL CL CL CCCCZLZ11112211,1,YL CYLL CL YYCCL C YLCL Y YY Y第63頁/共85頁2021-11-1564例5、3dB五階契比雪夫以濾波電路向2.4835GHz低通濾波器的轉(zhuǎn)換0g1g2g3g4g5g6g原始電路為：原始電路為：

14、第64頁/共85頁2021-11-1565下面進行Kuroda變換：第65頁/共85頁2021-11-1566第66頁/共85頁2021-11-1567進行阻抗變換后：在在ADS軟件上畫出的濾波器為：軟件上畫出的濾波器為：4.41rHmm第67頁/共85頁2021-11-1568此低通濾波器的性能圖為：1. 52. 02. 53. 03. 51. 04. 0-30-20-10-400FrequencyM ag. dBS21第68頁/共85頁2021-11-1569關(guān)于精確設(shè)計濾波器的問題在前面的例子中我們可以看到，我們在按照截至頻率為2.48GHz設(shè)計的濾波器，最后的實驗仿真結(jié)果的截止頻率卻是

15、2.1GHz，這就涉及到了實現(xiàn)濾波器的各階微帶線的之間的互感問題，故我們在設(shè)計濾波器時，實際所應(yīng)用的設(shè)計頻率應(yīng)比我們所需要的頻率要大20%左右，這樣設(shè)計出來的濾波器才是真正符合我們要求的濾波器。在以后的濾波器設(shè)計實例中也會出現(xiàn)類似的問題，以后就不再贅述。第69頁/共85頁2021-11-1570階躍阻抗低通濾波器 用微帶線實現(xiàn)低通濾波器的一種相對容易的方法，使用很高和很低特性阻抗的傳輸線段交替結(jié)構(gòu)的排列。像這樣的濾波器通常稱為階躍阻抗（或高地阻抗）濾波器。 這種濾波器容易設(shè)計并且結(jié)構(gòu)緊湊，但由于它的近似性，它的電特性不是很好，所以這類濾波器通常限制在不需要陡峭截止的應(yīng)用中。第70頁/共85頁2

16、021-11-1571設(shè)計原理 短傳輸線的等效電路 /4,l大的特性阻抗:00tan()221sinXlZBlZ經(jīng)過分析和近似可得到小特性阻抗和大特性阻抗的等效電路為：l0BY第71頁/共85頁2021-11-15720XZl小的特性阻抗:l0BY低通濾波器的設(shè)計公式：0l0()CZ()RhLRlZl電感電容第72頁/共85頁2021-11-1573例六、階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計,截止頻率為2.5GHz濾波器阻抗為50ohm，最高實際線阻抗為120ohm,最低實際線阻抗為20ohm，的8階最平坦低通濾波器。濾波器的原始參數(shù)為：7g8g0g1g2g3g4g5g6g濾波器首先以并聯(lián)電容為第一個元件

17、，所得個微帶線的電長度為：7g0g1g2g3g4g5g6g第73頁/共85頁2021-11-1574在參數(shù)為 時的濾波器的各部件尺寸為4.4,1,0rhmm濾波器的實際結(jié)構(gòu)圖為：第74頁/共85頁2021-11-1575濾波器的性能圖為第75頁/共85頁2021-11-1576耦合線濾波器 耦合線濾波器 要制作帶寬小于20%的微帶多節(jié)帶通耦合濾波器實際上是容易辦到的，更寬的寬帶濾波器實際上需要很緊密的耦合線，這在制造上是困難的。 奇模和耦模激勵 介質(zhì)基質(zhì)的厚度為d ，相對介電常數(shù)為 ，兩條平行微帶線的距離為s，每條金屬導(dǎo)帶的寬度為W，金屬導(dǎo)帶厚度忽略不計。當(dāng)傳輸線1和傳輸線2上的電壓和電流完全

18、一致時，耦合微帶線上出現(xiàn)耦模。當(dāng)傳輸線1和傳輸線2上的電壓和電流完全相反時，耦合微帶線上出現(xiàn)奇模。 r第76頁/共85頁2021-11-1577耦合微帶線如圖所示第77頁/共85頁2021-11-1578帶通濾波電路的實現(xiàn) 選擇歸一化低通濾波電路原型。根據(jù)設(shè)計要求的帶外衰減和帶內(nèi)波紋，選擇合適的契比雪夫或巴特沃茲濾波電路，得到歸一化參數(shù) 。 根據(jù)設(shè)計要求的截止頻率 ，確定歸一化帶寬 。121,.,NNg gggLH和BWHL0BW=其中心頻率為：HL0=2第78頁/共85頁2021-11-1579 使用歸一化設(shè)計參數(shù) 和歸一化帶寬 可以確定帶通濾波電路中的設(shè)計參數(shù) 根據(jù)帶通濾波電路的設(shè)計參數(shù)，確定耦合傳輸線的奇模和耦模的特征阻抗，計算公式為：121,.,NNg gggBW0,1001i,i 10ii+1N,N 10NN+11BWJZ2g g1BWJZ 2 g g1BWJZ2g g第79頁/共85頁2021-11-15802O i,i 100i,i 10i,i 12E i,i 100i,i 10i,i 1Z |Z 1Z J(Z J) Z |Z 1+Z J(Z J) O i,i 1Ei,i 1Z |,Z |其中 為奇模和耦模阻抗。最后依據(jù)每段耦合微帶線的奇模和耦模阻抗來確定其尺寸。 第80頁/共8