微波電路西電雷振亞老師的7章射頻微波濾波器ppt課件

1、第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1 濾波器的根本原理濾波器的根本原理 7.2 集總參數(shù)濾波器集總參數(shù)濾波器7.3 各種微帶線濾波器各種微帶線濾波器7.4 微帶線濾波器新技術(shù)微帶線濾波器新技術(shù)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1 濾波器的根本原理濾波器的根本原理 7.1.1 濾波器的目的 濾波器的目的籠統(tǒng)地描畫了濾波器的頻率呼應(yīng)特性。下面對(duì)這些技術(shù)目的做一簡單引見。(1) 任務(wù)頻率: 濾波器的通帶頻率范圍,有兩種定義方式： 3 dB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3 dB時(shí)所測的通帶

2、寬度。這是經(jīng)典的定義,沒有思索插入損耗,易引起誤解,工程中較少運(yùn)用。 插損帶寬: 滿足插入損耗時(shí)所測的帶寬。這個(gè)定義比較嚴(yán)謹(jǐn),在工程中常用。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器(2) 插入損耗: 由于濾波器的介入,在系統(tǒng)內(nèi)引入的損耗。濾波器通帶內(nèi)的最大損耗包括構(gòu)成濾波器的一切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。插入損耗限定了任務(wù)頻率,也限定了運(yùn)用場所的兩端阻抗。(3) 帶內(nèi)紋波: 插入損耗的動(dòng)搖范圍。帶內(nèi)紋波越小越好,否那么,會(huì)添加經(jīng)過濾波器的不同頻率信號(hào)的功率起伏。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器(4

3、) 帶外抑制: 規(guī)定濾波器在什么頻率上會(huì)阻斷信號(hào),是濾波器特性的矩形度的一種描畫方式。也可用帶外滾降來描畫,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) 接受功率。 在大功率發(fā)射機(jī)末端運(yùn)用的濾波器要按大功率設(shè)計(jì),元件體積要大,否那么,會(huì)擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1.2 濾波器的原理思索圖7-1所示的雙端口網(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)經(jīng)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,也就是說,網(wǎng)絡(luò)具有頻率選擇性,這便是一個(gè)濾波

4、器。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖7-1 濾波器特性表示圖濾 波 器ZLPLf0OfPinfO第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器通常采用任務(wù)衰減來描畫濾波器的衰減特性,即式中,Pin和PL分別為輸出端接匹配負(fù)載時(shí)的濾波器輸入功率和負(fù)載吸收功率。隨著頻率的不同,式(7-1)的數(shù)值不同,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) 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器式(7-1)僅表示某個(gè)頻率的衰減。為了描畫衰減特性與頻率的

5、相關(guān)性,通常運(yùn)用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來逼近濾波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterworth) , 等 波 紋 型 用 切 比 雪 夫( T c h e b e s h e v ) , 峻 峭 型 用 橢 圓 函 數(shù) 型( E l l i p t i c ) ， 等 延 時(shí) 用 高 斯 多 項(xiàng) 式Gaussian。表7 -1 給出這四種類型濾波器的根本特性。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表7-1 四種濾波器函數(shù)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1.3 濾波器的設(shè)計(jì)方法濾波器的設(shè)計(jì)方法有如下兩種： (1) 經(jīng)典方

6、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)展頻率變換,最后用微波構(gòu)造實(shí)現(xiàn)電路元件。結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算軟件(如Mathcad、 MATLAB等)和微波仿真軟件Ansoft、 Microwave Office等可以得到稱心的結(jié)果。下面將重點(diǎn)引見。(2) 軟件方法: 先由軟件商依各種濾波器的微波構(gòu)造拓?fù)渥龀绍浖?運(yùn)用者再依目的挑選拓?fù)洹?仿真參數(shù)、 調(diào)整優(yōu)化。這些軟件有WAVECON、 EAGEL等。購得這些軟件,濾波器設(shè)計(jì)可以進(jìn)入“傻瓜形狀。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1.4 濾波器的四種低通原型下面簡要引見表7-1 中四種傳輸函數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)方法。濾波器低通原型

7、為電感電容網(wǎng)絡(luò),其中,巴特沃士、 切比雪夫、 高斯多項(xiàng)式的梯形構(gòu)造見圖7-2,橢圓函數(shù)的電路構(gòu)造見圖7-3。元件數(shù)和元件值只與通帶終了頻率、 衰減和阻帶起始頻率、 衰減有關(guān)。設(shè)計(jì)中都采用表格而不用繁雜的計(jì)算公式。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-2巴特沃士、 切比雪夫、 高斯多項(xiàng)式的電路構(gòu)造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)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-3橢圓函數(shù)低通原型電路構(gòu)造1ngg0g1g2gngn1gn1或gngn1(n為 偶數(shù))(n

8、為 奇數(shù))(a)g1g0g2gn12ggn1gn或gngn11ng(b)2g(n為 偶數(shù))(n為 奇數(shù))1ng1ng第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表7-2 巴特沃土元件圖第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器1. 巴特沃士知帶邊衰減為3dB處的歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,那么圖7-2中元件數(shù)n由式7-2給出,元件值由表7-2給出。sASLnlg2) 110lg(1 . 0第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器2. 切比雪夫知帶邊衰減與波紋目的LAr、歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,那么圖7-2中元件數(shù)n由式

9、7-3給出,元件值由表7-3給出。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表7-3 切比雪夫元件值 表略第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器3. 橢圓函數(shù) 知帶邊衰減與波紋目的LAr、 歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s, 阻帶波紋與通帶波紋一樣,那么圖7-3中元件數(shù)n和元件值由表7-4給出。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表7-4 橢圓函數(shù)元件數(shù)和元件值波紋0.1 dB 表略第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器4. 高斯多項(xiàng)式在現(xiàn)代無線系統(tǒng)中,會(huì)遇到堅(jiān)持頻帶內(nèi)群延時(shí)平坦的場所。也可用圖7-2 所示低通原型梯形構(gòu)造實(shí)現(xiàn)這

10、樣的功能,但電路元件不對(duì)稱。 表7-5 是這類濾波器低通原型的元件值。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-5等延時(shí)低通原型元件值第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器保證頻帶內(nèi)群延時(shí)平坦的代價(jià)是犧牲衰減目的。隨頻率的提高衰減明顯添加,延時(shí)不變，如圖7-4所示。曲線闡明,元件數(shù)多比元件數(shù)少時(shí)目的要好些。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-4 最平坦延時(shí)型低通原型特性LA / dBn 3n 53.01.01.0d / 0n 3n 51.0(a)(b)00第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1.5 濾波器的四種頻率變換由低通

11、原型濾波器經(jīng)過頻率變換,就可得到低通、 高通、帶通、帶阻四種適用濾波器。定義阻抗因子為0000YggZg0為電阻 g0為電導(dǎo) 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器 1. 低通變換 低通原型向低通濾波器的變換關(guān)系如圖7-5a所示,變換實(shí)例見圖7-5b。三節(jié)巴特沃士原型的c=1, Z0=50, 邊頻fc=2GHz。變換過程為：選擇圖7-2b所示原型,查表7-2 可得, g0=g4=1.0,g1=g3=1.0H, g2=1.0F。知050,c=2fc, 由圖7-5a中變換關(guān)系計(jì)算得 L1=L3=3.979 nH, C2=3.183pF。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波

12、器圖 7-5 低通原型向低通濾波器的變換關(guān)系gg0cc g0ccg3.979 nH3.979 nH50 3.183 pF(a)50 (b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器2. 高通變換低通原型向高通濾波器的變換關(guān)系如圖 7-6a所示,變換實(shí)例見圖7 - 6b。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)。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-6 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第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器

13、微波濾波器3. 帶通變換 低通原型向帶通濾波器的變換關(guān)系如圖 7-7a所示,變換實(shí)例見圖7- 7b。三節(jié)巴特沃士原型的c=1, Z0=50,通帶FBW=12 GHz。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-7 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)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器4. 帶阻變換 低通原型向帶阻濾波器的變換關(guān)系如圖 7-8a所示,變換實(shí)例見圖7 -

14、8b。三節(jié)巴特沃士原型的 c=1, Z0=50,阻帶FBW=12GHz。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖7-8 低通原型向帶阻濾波器的變換關(guān)系ggFBWL00cpLpp20p1LC00csgFBWCs20s1CLLsCsg3.979 nH50 3.183 pF3.979 nH3.183 pF50 (a)(b)Cp3.979 nH3.183 pF第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.1.6 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。所用微波傳輸線根本構(gòu)造有波導(dǎo)、 同軸線、 帶狀線和微帶等。用這些傳輸線的電抗元件實(shí)現(xiàn)前述變換所得

15、電感、 電容值只能是近似的。加工誤差、 外表處置、 資料損耗等要素迫使射頻/微波濾波器的研發(fā)必需有實(shí)驗(yàn)調(diào)整。 集總參數(shù)和微帶線構(gòu)造是下面重點(diǎn)要引見的內(nèi)容。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.2 7.2 集總參數(shù)濾波器集總參數(shù)濾波器7.2.1 集總元件低通濾波器設(shè)計(jì)一個(gè)L-C切比雪夫型低通濾波器,截止頻率為75 MHz,衰減為3 dB,波紋為 1dB, 頻率大于100 MHz,衰減大于20 dB，Z0=50。步驟一: 確定目的: 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。第第7 7章

16、章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟二: 計(jì)算元件級(jí)數(shù)n, 令 , 那么n取最接近的整數(shù),那么n=5。步驟三: 查表求原型元件值gi,如表 7-6 所示。 sLAsn110/1cosh/110cosh1101 . 0As第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-6原型元件值第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-7實(shí)踐元件值第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟五: 畫出電路,如圖7-9所示。仿真特性如圖7-10 所示。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-9 低通電路94 pF132 pF94 pF120 nH12

17、0 nH50 OH50 OH第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-10 電路仿真結(jié)果0.0010.0020.0030.0040.0050.000.0010.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00f /GHzRL / dB0.0010.0020.0030.0040.0050.00IL / dB第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.2.2 集總元件帶通濾波器設(shè)計(jì)一個(gè)L-C切比雪夫型帶通濾波器,中心頻率為75 MHz, 3dB帶寬為10MHz,波紋為1dB,任務(wù)頻帶外75MHz的衰減大于3

18、0dB,Z0=50。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟一: 確定目的: 特性阻抗 Z0=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 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟二： 計(jì)算相關(guān)參數(shù): 778. 2),(778. 21333. 311083.742120220112210XXsXLXUsXLXLsMINFBWfffFBWfffMHzffFBWfff第第7 7章章

19、射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器 步驟三: 計(jì)算元件節(jié)數(shù)n。令 那么n取整數(shù)3。步驟四: 計(jì)算原型元件值gi,如表 7-8 所示。 ArAsMag1 . 01 . 010, 110121cosh1coshMagn第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-8 原型元件值第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器 步驟五: 畫出電路,如圖7-11 所示。仿真結(jié)果如圖7-12 所示。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-11 等效電路圖456 pF456 pF1268 nH50 OH50 OH10 nH10 nH3.6 pF第第7 7章章 射頻射頻/

20、/微波濾波器微波濾波器圖 7-12 仿真結(jié)果50.0060.0070.0080.0090.00100.00110.0050.0040.0030.0020.0010.000.0050.0040.0030.0020.0010.000.00RL / dBIL / dBf /MHz第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.3 7.3 各種微帶線濾波器各種微帶線濾波器 7.3.1 低通濾波器1. 切比雪夫低通及相關(guān)討論設(shè)計(jì)一個(gè)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: 三節(jié)低通原型元件值為 g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2=

21、1.1474。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟二: 進(jìn)展低通變換,得到 FZfgCHfZgLL12012291013110652. 32102098. 82第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟三: 微帶實(shí)現(xiàn)。(1) 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(duì)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。微帶線的參數(shù)見表 7-9。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-9 微帶線參數(shù)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器高、 低

22、阻抗線的物理長度可以由以下公式得到：上式中沒有思索低阻抗線的串聯(lián)電抗和高阻抗線的并聯(lián)電納。思索這些要素的影響,高、低阻抗線的長度可調(diào)整為 mmCZLmmZLlCCgLCLCgLL41. 8arcsin204.11arcsin200gCCLgCCCcgCCCgLLLclZlZClZlZL2tan122sin12tan2sin002001第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器解上面的方程,得到lL=9.81mm, lC=7.11mm。 圖7-13(a)給出了微帶構(gòu)造尺寸,圖(b)是分析軟件計(jì)算的濾波器特性曲線。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-13 高 、 低阻

23、抗線低通濾波器(a) 濾波器微帶構(gòu)造; (b) 特性曲線12單位：mm9.810.27.114.0(a)0.00.51.01.52.02.53.0S11S21151050IL / dBf / MHz(b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器(2) 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, 有思索不延續(xù)性,應(yīng)滿足 mmCZgCLmmZLgLlCCCLCL41. 8arctan204.11arcsin200gLLLgCCCClZlZC2tan122tan100第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器解得lC=6.28mm,思索開路終端縮短效應(yīng)(0.5mm),故lC

24、=6.28-0.5=5.78mm。圖7-14(a) 是枝節(jié)線型濾波器微帶構(gòu)造尺寸,圖(b)是仿真特性曲線。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器 圖 7-14 枝節(jié)線低通濾波器(a) 濾波器微帶構(gòu)造; (b) 特性曲線12單 位 ： mmS11S210.00.51.01.52.02.53.0 15 10 50IL / dBf / GHz(a)(b)11.044.05.780.2第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器這兩種三節(jié)切比雪夫?yàn)V波器在阻帶遠(yuǎn)區(qū)的特性仿真結(jié)果如圖7-15 所示。雖然通帶內(nèi)兩個(gè)構(gòu)造根本一致,但阻帶內(nèi)階梯阻抗線特性明顯不如開路枝節(jié)濾波器。在5.6 GH

25、z時(shí),開路枝節(jié)有一個(gè)衰減極值,這是由于枝節(jié)在該頻率相當(dāng)于四分之一波長,開路變短路,使得信號(hào)完全反射了。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-15 兩種構(gòu)造的阻帶仿真0123456403020100IL / dBf / MHz開路枝節(jié)階梯阻抗線第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器為了改善阻帶特性,提高滾降目的,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=11.322 nH, C3=C5=6.6737pF L4=12.52nH 圖7-16a、 (b)是七節(jié)集總元件電路圖和微帶枝節(jié)電路圖,圖c是仿真結(jié)果。第第7 7章章

26、 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-16 七節(jié)切比雪夫?yàn)V波器L2L4L6C1C3C5C7Z0Z010203040506070800.00.51.01.52.02.53.00IL / dBf / GHzWcWLl1l2l3l4l5l6l7(a)(b)L-C低通 原型設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)2(c)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-10 給出了微帶枝節(jié)設(shè)計(jì)的兩組取值結(jié)果。由圖7-16可以看出,L-C低通原型的性能最好,設(shè)計(jì)1性能次之,設(shè)計(jì)2性能最差。設(shè)計(jì)1尺寸根本接近集總元件,設(shè)計(jì)2中高阻線長度在2.86GHz時(shí)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

27、數(shù),這是我們所不希望的。因此,微帶濾波器的拓?fù)錁?gòu)造沒有絕對(duì)的優(yōu)劣,設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要多方面充分比較各種參數(shù),既要照顧電氣目的,還要思索加工可行性,才干得到一個(gè)良好的方案。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表 7-10 微帶枝節(jié)設(shè)計(jì)的兩組取值 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器2. 橢圓函數(shù)濾波器實(shí)例圖7-17 所示為六節(jié)橢圓函數(shù)濾波器的原型和微帶構(gòu)造實(shí)例尺寸及仿真結(jié)果。從概念上了解,依然是高阻抗線近似于電感,低阻抗線近似于電容。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-17 橢圓函數(shù)原型Z0C6L4C4L2C2Z0L1L3L5第第7 7章章 射頻射

28、頻/ /微波濾波器微波濾波器該原型的元件值和實(shí)踐值為g0=g7=1.000, gL1=g1=0.8214gL2=g2=0.3892,gL3=g3=1.1880g4=g4=0.7413,gL5=g5=1.1170gC2=g2=1.0840,gC4=g4=0.9077gC6=g6=1.0L1=6.53649 nH，L2=3.09716 nHL3=9.45380nH，L4=5.89908 nHL5=8.88880 nH，C2=3.45048 pFC4=2.88930 pF，C6=3.61600 pF第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器用微帶實(shí)現(xiàn),元件值為 Z0C=14 , Z0=50,

29、 Z0L=93 WC=8.0 mm,W0=1.1mm, WL=0.2 mm gC (fc)=101 mm, g0=112 mm,gL (fc)=118mmgC (fp1)=83 mm, gL (fp1)=97mm gC (fp2)=66mm, gL (fp2)=77mm第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器 圖 7-18 是最后的微帶構(gòu)造和特性曲線。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-18 微帶橢圓函數(shù)低通濾波器單位：mm1.14.3911.620.26.493.708.05.072.988.5913.0160504030201000.00.51.0 1.52

30、.53.02.0S21S11(a)(b)IL / dBf / GHz第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.3.2 帶通濾波器1. 端耦合微帶諧振器濾波器 如圖7-19 所示,每一段線就是一個(gè)半波長諧振器,亦即構(gòu)成濾波器根本元件,間隙是耦合電容,相當(dāng)于變換器。變換器的作用使得諧振單元可以看作串聯(lián)也可看作并聯(lián),這由變換器的構(gòu)造參數(shù)決議。 因此,這個(gè)構(gòu)造能實(shí)現(xiàn)帶通濾波器。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-19 端耦合諧振單元帶通濾波器Y01Y0Y12YnnY0B0, 1B1, 2Bn1, nBn, n1S0, 1l1S1, 2l2Sn1, nlnSn, n1

31、Y01Y0B0, 1S0, 1l1第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)三節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設(shè)計(jì)目的為f0=6 GHz,FBW=2.8,波紋為0.1dB。 步 驟 一 ： 查 表 得 三 節(jié) 原 型 參 數(shù) 為 g 0 = g 4 = 1 , g1=g3=1.0316,g2=1.1474。 步驟二： 做變換,求得諧振線長度和間隙電容為1=3=- arctan(20.2157)+arctan (20.0405)=2.8976 rad2=- arctan(20.0405)+arctan(20.0405)=3.0608 rad C0.1g=C3.4g=0.11443pF

32、 C1.2g=C2.3g=0.021483pF2121第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟三: 微波實(shí)現(xiàn),介質(zhì)參數(shù)為10.8/1.27,思索邊沿效應(yīng)修正后,得 l1=l3= 2.8976-0.0269-0.2505=8.148 mml2= 3.0608-0.2505-0.2505=8.399mmS0, 1=S3, 4=0.057mmS1, 2=S2, 3=0.801mm步驟四: 用軟件仿真,微帶構(gòu)造尺寸和仿真結(jié)果如圖7-20 所示。227.18227.18第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-20 三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器單位：mm0.0578.1480.

33、8018.3991.1(a)5.65.86.06.26.4S21S1150403020100f / GHzIL / dB(b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器2. 平行耦合線器濾波器 如圖7-21 所示,每一段線就是一個(gè)半波長諧振相當(dāng)于濾波器元件值，平行的間隙是耦合元件相當(dāng)于變換器,耦合間隙在諧振線邊緣可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶耦合。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-21 平行耦合諧振單元帶通濾波器Y0W1W1W2W2WnWnWn1Wn1Y0s1s2snsn1l1l2lnln1第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例: 設(shè)計(jì)五節(jié)切比雪夫帶通濾波

34、器。設(shè)計(jì)目的為f0=10 GHz, FBW=15,波紋為0.1 dB。步驟一: 查表得五節(jié)低通原型參數(shù)為g0=g6=1.0, g1=g5=1.1468g2=g4=1.3712，g3=1.9750 步驟二: 做變換,求得諧振線元件值如表7-11 所示。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表7-11 元件值 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟三: 微波實(shí)現(xiàn),介質(zhì)參數(shù)為10.2/0.635,思索邊沿效應(yīng)修正后,結(jié)果如表7-12 所示。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器表7- 12微帶尺寸 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器步驟四:

35、用軟件仿真,微帶構(gòu)造尺寸和仿真結(jié)果如圖7-22 所示,這種濾波器的通帶較寬。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-22平行耦合諧振單元帶通濾波器0.592.8522.7722.7560.3850.5750.595單位：mm0.1610.5400.73089101112806040200f / GHzS21S11IL / dB(a)(b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器3. 發(fā)卡式濾波器將平行耦合線的半波長諧振線對(duì)折,可以減小體積,如圖7-23 所示。設(shè)計(jì)中,要思索對(duì)諧振線折后的間隙耦合,在長度和間隙上做適當(dāng)修正。發(fā)卡式濾波器構(gòu)造緊湊,目的良好,在射頻、 濾

36、波工程中最多。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-23 發(fā)卡式帶通濾波器單位：mm31.20.60.418.41.854.71.01.02.030S21S111.21.41.61.82.02.22.42.62.850403020100(a)(b)f / GHzIL / dB60U第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例:設(shè)計(jì)五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設(shè)計(jì)目的為f0=2GHz, FBW=20,波紋為0.1 dB, 介質(zhì)參數(shù)為10.2/1.27。用軟件仿真,微帶構(gòu)造尺寸和仿真結(jié)果如圖7-23 所示,這種濾波器的通帶較寬。4. 交指線濾波器和梳狀線濾波器上述濾

37、波器的諧振單元都是半波長諧振器,假設(shè)改為四分之一波長諧振器也完全可行。四分之一波長諧振器的構(gòu)造特點(diǎn)是一端短路, 另一端開路,在同軸和帶狀線較易實(shí)現(xiàn),微帶構(gòu)造需求經(jīng)過金屬化孔接地。這類諧振器構(gòu)成濾波器的最大益處是尺寸可縮短接近一半。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器假設(shè)各個(gè)諧振單元的開路端和短路端交叉規(guī)劃,那么為交指線濾波器, 如圖7-24 所示。假設(shè)開路端在一邊,短路端在一邊,那么為梳狀線濾波器,如圖7-25 所示。這兩種濾波器還有另外幾種變形。最常用的變形方式是在開路端加集總參數(shù)電容器, 進(jìn)一步減少尺寸,便于調(diào)試或構(gòu)成可調(diào)諧濾波器。這個(gè)集總電容的實(shí)現(xiàn)方式也是多種多樣的，如固

38、定、空氣可調(diào)、同軸可調(diào),變?nèi)荻O管等,應(yīng)根據(jù)義務(wù)情況選擇運(yùn)用。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器1) 交指濾波器實(shí)例設(shè)計(jì)五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設(shè)計(jì)目的為f0=2 GHz,FBW=50,波紋為0.1 dB，介質(zhì)參數(shù)為6.15/1.27。用軟件仿真,微帶構(gòu)造尺寸和仿真結(jié)果如圖7-24所示,這種濾波器通帶更寬。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-24 交指濾波器S21S110.51.01.52.02.53.03.56050403020100f / GHzIL / dB20 mm30 mm接地孔輸入端(a)(b)輸出端第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微

39、波濾波器2) 梳狀濾波器實(shí)例設(shè)計(jì)五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設(shè)計(jì)目的為f0=2 GHz, FBW=10,波紋為 0.1dB，介質(zhì)參數(shù)為10.8/1.27。用軟件仿真,微帶構(gòu)造尺寸和仿真結(jié)果如圖 7-25 所示。交指線濾波器和梳狀濾波器的輸入輸出耦合常運(yùn)用抽頭耦合,就是在兩端的諧振線上引出微帶線。引線的位置決議端耦合系數(shù),諧振線長度的中間耦合最強(qiáng),向短路端移逐漸減弱。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-25 梳狀濾波器8070605040302010023456f / GHzIL / dB13.60.350.561.642.420.3單位：mm0.81.1接地孔(a)(b)第

40、第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.3.3 高通濾波器由7.1.4 節(jié)知低通原型向帶通的變換規(guī)那么為： 串聯(lián)電感變成串聯(lián)電容, 并聯(lián)電容變成并聯(lián)電感。設(shè)計(jì)實(shí)例一： 半集總參數(shù)微帶設(shè)計(jì)三節(jié)切比雪夫高通濾波器。設(shè)計(jì)目的為fc=1.5 GHz,波紋為0.1dB,介質(zhì)參數(shù)為2.2/1.57,阻抗為50。用軟件仿真,微帶尺寸和仿真結(jié)果如圖 7-26 所示。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-26 高通實(shí)例一S21S110.00.51.01.52.52.03.03.5806040200f / GHzIL / dB(b)(a)接地孔單位：mm2510.02.00.20.

41、20.34.99.930第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例二： 短路枝節(jié)設(shè)計(jì)六節(jié)切比雪夫高通濾波器。設(shè)計(jì)目的為fc=1.5 GHz,波紋為0.1dB,介質(zhì)參數(shù)為2.2/1.57,阻抗為50。用軟件仿真,微帶尺寸和仿真結(jié)果如圖7-27 所示。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-27 高通實(shí)例二605040302010001234567f / GHzIL / dBS21S11(a)(b)單位：mm4.913.90.92.02.83013.513.2接地孔15023.823.022.7第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器比較兩種方法,實(shí)例

42、二目的好,加工容易。 7.3.4 帶阻濾波器由7.1.4節(jié)知低通原型向帶通的變換規(guī)那么為：串聯(lián)電感變成并聯(lián)諧振器,并聯(lián)電容變成串聯(lián)諧振器。與帶通濾波器類似,用諧振單元實(shí)現(xiàn)濾波器根本元件,合理地銜接這些單元是帶阻濾波器的關(guān)鍵。下面實(shí)例給出幾個(gè)電路構(gòu)造,并不拘泥于設(shè)計(jì)計(jì)算細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)實(shí)例一：半波長微帶線帶阻濾波器第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖7-28 給出了兩種構(gòu)造,圖a為電耦合半波長諧振器, 圖b為磁耦合半波長諧振器。諧振時(shí)相當(dāng)于信號(hào)對(duì)地短路,反射回信號(hào)源,沒有信號(hào)經(jīng)過。這種帶阻是窄帶的。設(shè)計(jì)五節(jié)切比雪夫帶阻濾波器。設(shè)計(jì)目的為f=3.3985GHz, FBW=5.88%即3.

43、33 GHz, 波紋為0.1dB, 基板參數(shù)為10.08/1.27,特性阻抗為50 。查低通原型五節(jié)元件值,求變換后元件值,思索微帶修正,進(jìn)展微波實(shí)現(xiàn),畫圖并仿真, 最后得微帶電路尺寸和仿真結(jié)果如圖 7-29 所示。 第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-28 半波長諧振帶阻濾波器4g4g2g(a)4g4g(b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-29 L型帶阻濾波器S1S2l1vl1hl2hl3hl4hl5hl3vl5vS3l2vS4S5l4vW16151413121110980.100.150.200.250.30 x / Z0s / mmf03

44、dB|S21|3dB(a)(b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例二： 枝節(jié)線帶阻濾波器設(shè)計(jì)三節(jié)切比雪夫帶阻濾波器。設(shè)計(jì)目的為f0=2.5GHz, FBW10%即 1.253.75 GHz，波紋為0.05dB, 基板參數(shù)為6.15/1.27,阻抗為50。查低通原型三節(jié)元件值,求變換后元件值,思索微帶修正,進(jìn)展微波實(shí)現(xiàn),畫圖并仿真, 最后得微帶電路尺寸和仿真結(jié)果如圖7-30 所示。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-30 開路枝節(jié)帶阻濾波器單 位 ： mm14.41.713.24.2514.80.51.854530S21S116543210 50 4

45、0 30 20 100f / GHzIL / dB(a)(b)第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例三： 直流偏置線微波電子電路中的直流偏置引線要對(duì)微波信號(hào)通路沒有影響,常用的方法是運(yùn)用低通濾波器或帶阻濾波器。帶阻濾波器用于頻率成份較多的電路中,效果良好。用于偏置電路的帶阻濾波器方式多樣,運(yùn)用時(shí)要思索電路的整個(gè)規(guī)劃,選擇恰當(dāng)帶阻偏置線的構(gòu)造。設(shè)計(jì)三節(jié)切比雪夫帶阻濾波器直流偏置線。設(shè)計(jì)目的為阻帶頻率為3.55.5 GHz,介質(zhì)基板參數(shù)為10.8/1.27,阻抗為50。用軟件仿真,最后得微帶電路尺寸和仿真結(jié)果如圖 7-31 所示。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波

46、器圖 7-31直流偏置帶阻濾波器P-3(DC偏置)單位：mmB6.56.5P-2(RF輸出)0.3wi0.31.1P-1(RF 輸入)90S11S21S313.03.54.04.55.05.56.050403020100IL / dBf / GHz(a)(b)Ar5.0第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.4 7.4 微帶線濾波器新技術(shù)微帶線濾波器新技術(shù)7.4.1 交叉耦合技術(shù)交叉耦合是在不相鄰的諧振單元間添加耦合,使濾波器特性的特殊頻率出現(xiàn)零極點(diǎn)。對(duì)稱單極點(diǎn)交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)過程與前述一樣。只是低通原型的的傳輸函數(shù)不同,可以了解為介于切比雪夫和橢圓函數(shù)之間。圖7-32是這種

47、濾波器的典型特性,并與切比雪夫帶通做比較?？梢韵胂?交叉耦合只能在部分諧振器間實(shí)現(xiàn),如圖7-33 所示。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-32 對(duì)稱單極點(diǎn)交叉耦合濾波器特性210126050403020100歸化頻率S21 / dB切比雪夫a1.6a1.2n6第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-33 交叉耦合低通原型 J1J1J1J1JmJm1g01g1gm1gmgmgm1g1g01第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器下面給出幾種微帶交叉耦合濾波器的拓?fù)錁?gòu)造及特性,供設(shè)計(jì)選用,詳細(xì)設(shè)計(jì)過程請(qǐng)參閱有關(guān)專著。半波長開路環(huán)諧振器四個(gè)邊便于耦

48、合,運(yùn)用最多。圖 7-34 為交叉耦合微帶線濾波器實(shí)例,圖(a)是八節(jié)對(duì)稱單極點(diǎn)濾波器,圖(b)和圖(c)是八節(jié)對(duì)稱雙極點(diǎn)濾波器的原理和實(shí)例,圖(d)是三節(jié)單極點(diǎn)濾波器。第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-34 半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器 八節(jié)對(duì)稱極點(diǎn)(介質(zhì)參數(shù)10.8/1.27, 環(huán)16mm16mm; (b) 八節(jié)對(duì)稱雙極點(diǎn)；(a)(b)600800100012001400f / MHzS21 / dB67584132f / MHz020406080100100806040200750800850900950 S21(切比雪夫)S11S21IL / dB第第7 7章章

49、射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器圖 7-34 半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器(c) 八節(jié)對(duì)稱雙極點(diǎn)實(shí)例(介質(zhì)參數(shù)10.8/1.27; (a)(b)抽頭耦合2.23.01.5201.21.30.752.51.01.51.751.41.2725 750 775 800 825 850 875 90080706050403020100f / MHzS21 / dB(c)9250.7單位：mm第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器 圖 7-34 半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器(d) 三節(jié)單極點(diǎn)濾波器(介質(zhì)參數(shù)10.8/1.27)單位：mm1.41.223.012.01.117.44.61.012

50、.01.850403020100dBf / MHzS11S210.5102.00.4251.80.41.0單位：mm25101.4700 750 800850 900 9501000 1050 1100dBS11S21110010501000950900850800750700f / MHz5040302010060(d)0.71.4第第7 7章章 射頻射頻/ /微波濾波器微波濾波器7.4.2 濾波器的小型化小型化的方法有: 梯形線、 交指線變形,諧振器變形,雙模諧振器,多層微帶板,微帶慢波構(gòu)造,集總參數(shù)元件,高介電常數(shù)基板等。下面給出幾個(gè)實(shí)例。圖7-35是梯形線濾波器,圖7 - 36是交指線的變形。圖7-37是雙模諧振器,可以使諧振單元尺寸減小。圖7- 38是微帶線慢波構(gòu)造。微帶電路也可做成多層印制板,諧振器