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文檔簡介

第7章射頻/微波濾波器7.1濾波器的基本原理7.2集總參數濾波器7.3各種微帶線濾波器7.4微帶線濾波器新技術第7章射頻/微波濾波器7.1濾波器的基本原理7.1濾波器的基本原理 7.1.1濾波器的指標 濾波器的指標形象地描述了濾波器的頻率響應特性。下面對這些技術指標做一簡單介紹。

(1)工作頻率:濾波器的通帶頻率范圍,有兩種定義方式: ①3dB帶寬:由通帶最小插入損耗點(通帶傳輸特性的最高點)向下移3dB時所測的通帶寬度。這是經典的定義,沒有考慮插入損耗,易引起誤解,工程中較少使用。 ②插損帶寬:滿足插入損耗時所測的帶寬。這個定義比較嚴謹,在工程中常用。7.1濾波器的基本原理 7.1.1濾波器的指標 (2)插入損耗:

由于濾波器的介入,在系統內引入的損耗。濾波器通帶內的最大損耗包括構成濾波器的所有元件的電阻性損耗(如電感、電容、導體、介質的不理想)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,也限定了使用場合的兩端阻抗。 (3)帶內紋波:

插入損耗的波動范圍。帶內紋波越小越好,否則,會增加通過濾波器的不同頻率信號的功率起伏。 (2)插入損耗: (4)帶外抑制:

規(guī)定濾波器在什么頻率上會阻斷信號,是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。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低越好。

(5)承受功率。 在大功率發(fā)射機末端使用的濾波器要按大功率設計,元件體積要大,否則,會擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。 (4)帶外抑制: 7.1.2濾波器的原理 考慮圖7-1所示的雙端口網絡,設從一個端口輸入一具有均勻功率譜的信號,信號通過網絡后,在另一端口的負載上吸收的功率譜不再是均勻的,也就是說,網絡具有頻率選擇性,這便是一個濾波器。 7.1.2濾波器的原理圖7-1濾波器特性示意圖圖7-1濾波器特性示意圖

通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性,即 式中,Pin和PL分別為輸出端接匹配負載時的濾波器輸入功率和負載吸收功率。隨著頻率的不同,式(7-1)的數值不同,這就是濾波器的衰減特性。根據衰減特性,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。

(7-1) 通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性,即(7-1)

式(7-1)僅表示某個頻率的衰減。為了描述衰減特性與頻率的相關性,通常使用數學多項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(Tchebeshev),陡峭型用橢圓函數型(Elliptic),等延時用高斯多項式(Gaussian)。表7-1給出這四種類型濾波器的基本特性。 式(7-1)僅表示某個頻率的衰減。為了描述衰減特性與頻率表7-1四種濾波器函數表7-1四種濾波器函數第7章射頻微波濾波器課件 7.1.3濾波器的設計方法 濾波器的設計方法有如下兩種:

(1)經典方法:即低通原型綜合法,先由衰減特性綜合出低通原型,再進行頻率變換,最后用微波結構實現電路元件。結合數學計算軟件(如Mathcad、MATLAB等)和微波仿真軟件(Ansoft、MicrowaveOffice等)可以得到滿意的結果。下面將重點介紹。

(2)軟件方法:先由軟件商依各種濾波器的微波結構拓撲做成軟件,使用者再依指標挑選拓撲、仿真參數、調整優(yōu)化。這些軟件有WAVECON、EAGEL等。購得這些軟件,濾波器設計可以進入“傻瓜”狀態(tài)。 7.1.3濾波器的設計方法 7.1.4濾波器的四種低通原型 下面簡要介紹表7-1中四種傳輸函數濾波器的設計方法。濾波器低通原型為電感電容網絡,其中,巴特沃士、切比雪夫、高斯多項式的梯形結構見圖7-2,橢圓函數的電路結構見圖7-3。元件數和元件值只與通帶結束頻率、衰減和阻帶起始頻率、衰減有關。設計中都采用表格而不用繁雜的計算公式。 7.1.4濾波器的四種低通原型圖7-2巴特沃士、切比雪夫、高斯多項式的電路結構圖7-2巴特沃士、切比雪夫、高斯多項式的電路結構圖7-3橢圓函數低通原型電路結構圖7-3橢圓函數低通原型電路結構表7-2巴特沃土元件圖表7-2巴特沃土元件圖 1.巴特沃士 已知帶邊衰減為3dB處的歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,則圖7-2中元件數n由式(7-2)給出,元件值由表7-2給出。 1.巴特沃士 2.切比雪夫 已知帶邊衰減與波紋指標LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,則圖7-2中元件數n由式(7-3)給出,元件值由表7-3給出。 2.切比雪夫表7-3切比雪夫元件值表略表7-3切比雪夫元件值表略 3.橢圓函數 已知帶邊衰減與波紋指標LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,阻帶波紋與通帶波紋相同,則圖7-3中元件數n和元件值由表7-4給出。 3.橢圓函數表7-4橢圓函數元件數和元件值(波紋=0.1dB)表略表7-4橢圓函數元件數和元件值(波紋=0.1dB)表略 4.高斯多項式 在現代無線系統中,會遇到保持頻帶內群延時平坦的場合。也可用圖7-2所示低通原型梯形結構實現這樣的功能,但電路元件不對稱。表7-5是這類濾波器低通原型的元件值。 4.高斯多項式表7-5等延時低通原型元件值表7-5等延時低通原型元件值

保證頻帶內群延時平坦的代價是犧牲衰減指標。隨頻率的提高衰減明顯增加,延時不變,如圖7-4所示。曲線表明,元件數多比元件數少時指標要好些。 保證頻帶內群延時平坦的代價是犧牲衰減指標。隨頻率的提高衰圖7-4最平坦延時型低通原型特性圖7-4最平坦延時型低通原型特性 7.1.5濾波器的四種頻率變換 由低通原型濾波器經過頻率變換,就可得到低通、高通、帶通、帶阻四種實用濾波器。定義阻抗因子為g0為電阻g0為電導 7.1.5濾波器的四種頻率變換g0為電阻g0為電導 1.低通變換 低通原型向低通濾波器的變換關系如圖7-5(a)所示,變換實例見圖7-5(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,邊頻fc=2GHz。 變換過程為:選擇圖7-2(b)所示原型,查表7-2可得,g0=g4=1.0Ω,g1=g3=1.0H,g2=1.0F。已知γ0=50,ωc=2πfc,由圖7-5(a)中變換關系計算得L1=L3=3.979nH,C2=3.183pF。 1.低通變換圖7-5低通原型向低通濾波器的變換關系圖7-5低通原型向低通濾波器的變換關系 2.高通變換 低通原型向高通濾波器的變換關系如圖7-6(a)所示,變換實例見圖7-6(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,邊頻fc=2GHz,計算結果見圖7-6(b)。 2.高通變換圖7-6低通原型向高通濾波器的變換關系圖7-6低通原型向高通濾波器的變換關系 3.帶通變換 低通原型向帶通濾波器的變換關系如圖7-7(a)所示,變換實例見圖7-7(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,通帶FBW=1~2GHz。 3.帶通變換圖7-7低通原型向帶通濾波器的變換關系圖7-7低通原型向帶通濾波器的變換關系 4.帶阻變換 低通原型向帶阻濾波器的變換關系如圖7-8(a)所示,變換實例見圖7-8(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,阻帶FBW=1~2GHz。 4.帶阻變換圖7-8低通原型向帶阻濾波器的變換關系圖7-8低通原型向帶阻濾波器的變換關系 7.1.6濾波器的微波實現 四種射頻/微波濾波器的實現方式有集總元件L-C型和傳輸線型。所用微波傳輸線基本結構有波導、同軸線、帶狀線和微帶等。用這些傳輸線的電抗元件實現前述變換所得電感、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)必須有實驗調整。 集總參數和微帶線結構是下面重點要介紹的內容。 7.1.6濾波器的微波實現7.2集總參數濾波器 7.2.1集總元件低通濾波器 設計一個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=50Ω。 步驟一:確定指標:特性阻抗Z0=50Ω,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。7.2集總參數濾波器 7.2.1集總元件低通濾波器

步驟二:計算元件級數n,令,則

n取最接近的整數,則n=5。 步驟三:查表求原型元件值gi,如表7-6所示。 步驟二:計算元件級數n,令表7-6原型元件值表7-6原型元件值表7-7實際元件值表7-7實際元件值

步驟五:畫出電路,如圖7-9所示。仿真特性如圖7-10所示。 步驟五:畫出電路,如圖7-9所示。仿真特性如圖7-10圖7-9低通電路圖7-9低通電路圖7-10電路仿真結果圖7-10電路仿真結果 7.2.2集總元件帶通濾波器 設計一個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75±15MHz的衰減大于30dB,Z0=50Ω。 7.2.2集總元件帶通濾波器

步驟一:確定指標:

特性阻抗Z0=50Ω

上通帶邊頻f1=75+5=80MHz

下通帶邊頻f2=75-5=70MHz

上阻帶邊頻f=75+15=90MHz

下阻帶邊頻f=75-15=60MHz

通帶內最大衰減LAr=3dB

阻帶最小衰減LAs=30dB 步驟一:確定指標:

步驟二:計算相關參數:

步驟二:計算相關參數:

步驟三:計算元件節(jié)數n。令 則

n取整數3。 步驟四:計算原型元件值gi,如表7-8所示。 步驟三:計算元件節(jié)數n。令表7-8原型元件值表7-8原型元件值

步驟五:畫出電路,如圖7-11所示。仿真結果如圖7-12所示。 步驟五:畫出電路,如圖7-11所示。仿真結果如圖7圖7-11等效電路圖圖7-11等效電路圖圖7-12仿真結果圖7-12仿真結果7.3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討論 設計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=50Ω。 步驟一:三節(jié)低通原型元件值為

g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。7.3各種微帶線濾波器 7.3.1低通濾波器

步驟二:進行低通變換,得到 步驟二:進行低通變換,得到

步驟三:微帶實現。

(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。 微帶基板參數為10.8/1.27,波導波長對應截止頻率為1.0GHz,取高、低阻抗線的特性阻抗分別為Z0L=93Ω,Z0C=24Ω。微帶線的參數見表7-9。 步驟三:微帶實現。表7-9微帶線參數表7-9微帶線參數

高、低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到: 上式中沒有考慮低阻抗線的串聯電抗和高阻抗線的并聯電納。考慮這些因素的影響,高、低阻抗線的長度可調整為

高、低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到:

解上面的方程,得到lL=9.81mm,lC=7.11mm。 圖7-13(a)給出了微帶結構尺寸,圖(b)是分析軟件計算的濾波器特性曲線。 解上面的方程,得到lL=9.81mm,lC=7.11m圖7-13高、低阻抗線低通濾波器(a)濾波器微帶結構;(b)特性曲線圖7-13高、低阻抗線低通濾波器 (2)微帶枝節(jié)線。用高阻抗線實現電感,開路枝節(jié)實現電容,有 考慮不連續(xù)性,應滿足 (2)微帶枝節(jié)線。用高阻抗線實現電感,開路枝節(jié)實現電容

解得lC=6.28mm,考慮開路終端縮短效應(0.5mm),故lC=6.28-0.5=5.78mm。 圖7-14(a)是枝節(jié)線型濾波器微帶結構尺寸,圖(b)是仿真特性曲線。 解得lC=6.28mm,考慮開路終端縮短效應(0.5mm

圖7-14枝節(jié)線低通濾波器(a)濾波器微帶結構;(b)特性曲線圖7-14枝節(jié)線低通濾波器

這兩種三節(jié)切比雪夫濾波器在阻帶遠區(qū)的特性仿真結果如圖7-15所示。盡管通帶內兩個結構基本一致,但阻帶內階梯阻抗線特性明顯不如開路枝節(jié)濾波器。在5.6GHz時,開路枝節(jié)有一個衰減極值,這是因為枝節(jié)在該頻率相當于四分之一波長,開路變短路,使得信號完全反射了。 這兩種三節(jié)切比雪夫濾波器在阻帶遠區(qū)的特性仿真結果如圖7-圖7-15兩種結構的阻帶仿真圖7-15兩種結構的阻帶仿真

為了改善阻帶特性,提高滾降指標,可用七節(jié)實現,原型變換后元件值為 Z0=50Ω,C1=C7=3.7596pF L2=L6=11.322nH,C3=C5=6.6737pF L4=12.52nH 圖7-16(a)、(b)是七節(jié)集總元件電路圖和微帶枝節(jié)電路圖,圖(c)是仿真結果。 為了改善阻帶特性,提高滾降指標,可用七節(jié)實現,原型變換后圖7-16七節(jié)切比雪夫濾波器圖7-16七節(jié)切比雪夫濾波器

表7-10給出了微帶枝節(jié)設計的兩組取值結果。由圖7-16可以看出,L-C低通原型的性能最好,設計1性能次之,設計2性能最差。設計1尺寸基本接近集總元件,設計2中高阻線長度在2.86GHz時近似等于二分之一波導波長,發(fā)生諧振引起濾波器的寄生通帶,降低了阻帶指數,這是我們所不希望的。因此,微帶濾波器的拓撲結構沒有絕對的優(yōu)劣,設計濾波器時要多方面充分比較各種參數,既要照顧電氣指標,還要考慮加工可行性,才能得到一個良好的方案。 表7-10給出了微帶枝節(jié)設計的兩組取值結果。由圖7-表7-10微帶枝節(jié)設計的兩組取值表7-10微帶枝節(jié)設計的兩組取值 2.橢圓函數濾波器實例 圖7-17所示為六節(jié)橢圓函數濾波器的原型和微帶結構實例尺寸及仿真結果。從概念上理解,仍然是高阻抗線近似于電感,低阻抗線近似于電容。 2.橢圓函數濾波器實例圖7-17橢圓函數原型圖7-17橢圓函數原型

該原型的元件值和實際值為 g0=g7=1.000,gL1=g1=0.8214 gL2=g2′=0.3892,gL3=g3=1.1880 gL4=g4′=0.7413,gL5=g5=1.1170 gC2=g2=1.0840,gC4=g4=0.9077 gC6=g6=1.1360

L1=6.53649nH,L2=3.09716nH L3=9.45380nH,L4=5.89908nH L5=8.88880nH,C2=3.45048pF C4=2.88930pF,C6=3.61600pF 該原型的元件值和實際值為

用微帶實現,元件值為 Z0C=14Ω,Z0=50Ω,Z0L=93Ω WC=8.0mm,W0=1.1mm,WL=0.2mm λgC(fc)=101mm,λg0=112mm, λgL(fc)=118mm λgC(fp1)=83mm,λgL(fp1)=97mmλgC(fp2)=66mm,λgL(fp2)=77mm 用微帶實現,元件值為

圖7-18是最后的微帶結構和特性曲線。圖7-18是最后的微帶結構和特性曲線。圖7-18微帶橢圓函數低通濾波器圖7-18微帶橢圓函數低通濾波器 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,每一段線就是一個半波長諧振器,亦即構成濾波器基本元件,間隙是耦合電容,相當于變換器。變換器的作用使得諧振單元可以看作串聯也可看作并聯,這由變換器的結構參數決定。因此,這個結構能實現帶通濾波器。 7.3.2帶通濾波器圖7-19端耦合諧振單元帶通濾波器圖7-19端耦合諧振單元帶通濾波器

設計實例: 設計三節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=6GHz,FBW=2.8%,波紋為0.1dB。 步驟一:查表得三節(jié)原型參數為g0=g4=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

θ1=θ3=π-[arctan(2×0.2157)+arctan(2×0.0405)]=2.8976rad θ2=π-[arctan(2×0.0405)+arctan(2×0.0405)]=3.0608rad C0.1g=C3.4g=0.11443pF C1.2g=C2.3g=0.021483pF 設計實例:

步驟三:微波實現,介質參數為10.8/1.27,考慮邊沿效應修正后,得

l1=l3=×2.8976-0.0269-0.2505=8.148mm l2=×3.0608-0.2505-0.2505=8.399mm S0,1=S3,4=0.057mm S1,2=S2,3=0.801mm

步驟四:用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-20所示。 步驟三:微波實現,介質參數為10.8/1.27,考慮邊圖7-20三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器圖7-20三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器 2.平行耦合線器濾波器 如圖7-21所示,每一段線就是一個半波長諧振(相當于濾波器元件值),平行的間隙是耦合元件(相當于變換器),耦合間隙在諧振線邊緣可以實現寬頻帶耦合。 2.平行耦合線器濾波器圖7-21平行耦合諧振單元帶通濾波器圖7-21平行耦合諧振單元帶通濾波器

設計實例:

設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=10GHz,FBW=15%,波紋為0.1dB。 步驟一:查表得五節(jié)低通原型參數為 g0=g6=1.0,g1=g5=1.1468 g2=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。 設計實例:表7-11元件值表7-11元件值

步驟三:微波實現,介質參數為10.2/0.635,考慮邊沿效應修正后,結果如表7-12所示。 步驟三:微波實現,介質參數為10.2/0.635,考慮表7-12微帶尺寸表7-12微帶尺寸

步驟四:用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-22所示,這種濾波器的通帶較寬。 步驟四:用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-22圖7-22平行耦合諧振單元帶通濾波器圖7-22平行耦合諧振單元帶通濾波器 3.發(fā)卡式濾波器 將平行耦合線的半波長諧振線對折,可以減小體積,如圖7-23所示。設計中,要考慮對諧振線折后的間隙耦合,在長度和間隙上做適當修正。發(fā)卡式濾波器結構緊湊,指標良好,在射頻、濾波工程中最多。 3.發(fā)卡式濾波器圖7-23發(fā)卡式帶通濾波器圖7-23發(fā)卡式帶通濾波器

設計實例:

設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=2GHz,FBW=20%,波紋為0.1dB,介質參數為10.2/1.27。用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖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 上述濾波器的諧振單元都是半波長諧振器,如果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結構特點是一端短路,另一端開路,在同軸和帶狀線較易實現,微帶結構需要通過金屬化孔接地。這類諧振器構成濾波器的最大好處是尺寸可縮短接近一半。

設計實例:

如果各個諧振單元的開路端和短路端交叉布局,則為交指線濾波器,如圖7-24所示。如果開路端在一邊,短路端在一邊,則為梳狀線濾波器,如圖7-25所示。 這兩種濾波器還有另外幾種變形。最常用的變形形式是在開路端加集總參數電容器,進一步縮小尺寸,便于調試或構成可調諧濾波器。這個集總電容的實現方式也是多種多樣的,如固定、空氣可調、同軸可調,變容二極管等,應根據任務情況選擇使用。 如果各個諧振單元的開路端和短路端交叉布局,則為交指線濾波 1)交指濾波器實例 設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=2GHz,FBW=50%,波紋為0.1dB,介質參數為6.15/1.27。用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-24所示,這種濾波器通帶更寬。 1)交指濾波器實例圖7-24交指濾波器圖7-24交指濾波器 2)梳狀濾波器實例 設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=2GHz,FBW=10%,波紋為0.1dB,介質參數為10.8/1.27。用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-25所示。交指線濾波器和梳狀濾波器的輸入輸出耦合常使用抽頭耦合,就是在兩端的諧振線上引出微帶線。引線的位置決定端耦合系數,諧振線長度的中間耦合最強,向短路端移逐漸減弱。 2)梳狀濾波器實例圖7-25梳狀濾波器圖7-25梳狀濾波器 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)則為:串聯電感變成串聯電容,并聯電容變成并聯電感。 設計實例一:半集總參數微帶 設計三節(jié)切比雪夫高通濾波器。設計指標為fc=1.5GHz,波紋為0.1dB,介質參數為2.2/1.57,阻抗為50Ω。用軟件仿真,微帶尺寸和仿真結果如圖7-26所示。 7.3.3高通濾波器圖7-26高通實例一圖7-26高通實例一

設計實例二:短路枝節(jié) 設計六節(jié)切比雪夫高通濾波器。設計指標為fc=1.5GHz,波紋為0.1dB,介質參數為2.2/1.57,阻抗為50Ω。用軟件仿真,微帶尺寸和仿真結果如圖7-27所示。 設計實例二:短路枝節(jié)圖7-27高通實例二圖7-27高通實例二

比較兩種方法,實例二指標好,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)則為:串聯電感變成并聯諧振器,并聯電容變成串聯諧振器。 與帶通濾波器類似,用諧振單元實現濾波器基本元件,合理地連接這些單元是帶阻濾波器的關鍵。下面實例給出幾個電路結構,并不拘泥于設計計算細節(jié)。設計實例一:半波長微帶線帶阻濾波器 比較兩種方法,實例二指標好,加工容易。

圖7-28給出了兩種結構,圖(a)為電耦合半波長諧振器,圖(b)為磁耦合半波長諧振器。諧振時相當于信號對地短路,反射回信號源,沒有信號通過。這種帶阻是窄帶的。 設計五節(jié)切比雪夫帶阻濾波器。設計指標為f0=3.3985GHz,FBW=5.88%(即3.3~3GHz),波紋為0.1dB,基板參數為10.08/1.27,特性阻抗為50Ω。 查低通原型五節(jié)元件值,求變換后元件值,考慮微帶修正,進行微波實現,畫圖并仿真,最后得微帶電路尺寸和仿真結果如圖7-29所示。 圖7-28給出了兩種結構,圖(a)為電耦合半波長諧振器圖7-28半波長諧振帶阻濾波器圖7-28半波長諧振帶阻濾波器圖7-29L型帶阻濾波器圖7-29L型帶阻濾波器

設計實例二:枝節(jié)線帶阻濾波器 設計三節(jié)切比雪夫帶阻濾波器。設計指標為f0=2.5GHz,FBW=10%(即1.25~3.75GHz),波紋為0.05dB,基板參數為6.15/1.27,阻抗為50Ω。 查低通原型三節(jié)元件值,求變換后元件值,考慮微帶修正,進行微波實現,畫圖并仿真,最后得微帶電路尺寸和仿真結果如圖7-30所示。 設計實例二:枝節(jié)線帶阻濾波器圖7-30開路枝節(jié)帶阻濾波器圖7-30開路枝節(jié)帶阻濾波器

設計實例三:直流偏置線 微波電子電路中的直流偏置引線要對微波信號通路沒有影響,常用的方法是使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形式多樣,使用時要考慮電路的整個布局,選擇恰當帶阻偏置線的結構。 設計三節(jié)切比雪夫帶阻濾波器直流偏置線。設計指標為阻帶頻率為3.5~5.5GHz,介質基板參數為10.8/1.27,阻抗為50Ω。用軟件仿真,最后得微帶電路尺寸和仿真結果如圖7-31所示。 設計實例三:直流偏置線圖7-31直流偏置帶阻濾波器圖7-31直流偏置帶阻濾波器7.4微帶線濾波器新技術 7.4.1交叉耦合技術 交叉耦合是在不相鄰的諧振單元間增加耦合,使濾波器特性的特殊頻率出現零極點。 對稱單極點交叉耦合濾波器的設計過程與前述相同。只是低通原型的的傳輸函數不同,可以理解為介于切比雪夫和橢圓函數之間。圖7-32是這種濾波器的典型特性,并與切比雪夫帶通做比較。 可以想象,交叉耦合只能在部分諧振器間實現,如圖7-33所示。7.4微帶線濾波器新技術 7.4.1交叉耦合技術圖7-32對稱單極點交叉耦合濾波器特性圖7-32對稱單極點交叉耦合濾波器特性圖7-33交叉耦合低通原型

圖7-33交叉耦合低通原型

下面給出幾種微帶交叉耦合濾波器的拓撲結構及特性,供設計選用,詳細設計過程請參閱有關專著。半波長開路環(huán)諧振器四個邊便于耦合,使用最多。 圖7-34為交叉耦合微帶線濾波器實例,圖(a)是八節(jié)對稱單極點濾波器,圖(b)和圖(c)是八節(jié)對稱雙極點濾波器的原理和實例,圖(d)是三節(jié)單極點濾波器。 下面給出幾種微帶交叉耦合濾波器的拓撲結構及特性,供設計選

圖7-34半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器八節(jié)對稱極點(介質參數10.8/1.27,環(huán)16mm×16mm;(b)八節(jié)對稱雙極點; 圖7-34半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器

圖7-34半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器(c)八節(jié)對稱雙極點實例(介質參數10.8/1.27); 圖7-34半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器

圖7-34半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器(d)三節(jié)單極點濾波器(介質參數10.8/1.27)圖7-34半波長諧振環(huán)交叉耦合濾波器 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,微帶慢波結構,集總參數元件,高介電常數基板等。下面給出幾個實例。 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是微帶線慢波結構。 微帶電路也可做成多層印制板,諧振器置于背靠背的兩個微帶表面,夾層為公共地,地板有耦合孔,是電耦合還是磁耦合與孔開的位置有關。兩層板可縮短一半長度,如圖7-39所示。 7.4.2濾波器的小型化圖7-35梯形線原理及三節(jié)梯形線濾波器圖7-35梯形線原理及三節(jié)梯形線濾波器圖7-36交指線的變形圖7-36交指線的變形圖7-37諧振器的小型化(雙模諧振器)圖7-37諧振器的小型化(雙模諧振器)圖7-38慢波結構及慢波濾波器圖7-38慢波結構及慢波濾波器圖7-39雙層微帶濾波器圖7-39雙層微帶濾波器感謝感謝謝謝,精品課件資料搜集謝謝,精品課件資料搜集第7章射頻/微波濾波器7.1濾波器的基本原理7.2集總參數濾波器7.3各種微帶線濾波器7.4微帶線濾波器新技術第7章射頻/微波濾波器7.1濾波器的基本原理7.1濾波器的基本原理 7.1.1濾波器的指標 濾波器的指標形象地描述了濾波器的頻率響應特性。下面對這些技術指標做一簡單介紹。

(1)工作頻率:濾波器的通帶頻率范圍,有兩種定義方式: ①3dB帶寬:由通帶最小插入損耗點(通帶傳輸特性的最高點)向下移3dB時所測的通帶寬度。這是經典的定義,沒有考慮插入損耗,易引起誤解,工程中較少使用。 ②插損帶寬:滿足插入損耗時所測的帶寬。這個定義比較嚴謹,在工程中常用。7.1濾波器的基本原理 7.1.1濾波器的指標 (2)插入損耗:

由于濾波器的介入,在系統內引入的損耗。濾波器通帶內的最大損耗包括構成濾波器的所有元件的電阻性損耗(如電感、電容、導體、介質的不理想)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,也限定了使用場合的兩端阻抗。 (3)帶內紋波:

插入損耗的波動范圍。帶內紋波越小越好,否則,會增加通過濾波器的不同頻率信號的功率起伏。 (2)插入損耗: (4)帶外抑制:

規(guī)定濾波器在什么頻率上會阻斷信號,是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。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低越好。

(5)承受功率。 在大功率發(fā)射機末端使用的濾波器要按大功率設計,元件體積要大,否則,會擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。 (4)帶外抑制: 7.1.2濾波器的原理 考慮圖7-1所示的雙端口網絡,設從一個端口輸入一具有均勻功率譜的信號,信號通過網絡后,在另一端口的負載上吸收的功率譜不再是均勻的,也就是說,網絡具有頻率選擇性,這便是一個濾波器。 7.1.2濾波器的原理圖7-1濾波器特性示意圖圖7-1濾波器特性示意圖

通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性,即 式中,Pin和PL分別為輸出端接匹配負載時的濾波器輸入功率和負載吸收功率。隨著頻率的不同,式(7-1)的數值不同,這就是濾波器的衰減特性。根據衰減特性,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。

(7-1) 通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性,即(7-1)

式(7-1)僅表示某個頻率的衰減。為了描述衰減特性與頻率的相關性,通常使用數學多項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(Tchebeshev),陡峭型用橢圓函數型(Elliptic),等延時用高斯多項式(Gaussian)。表7-1給出這四種類型濾波器的基本特性。 式(7-1)僅表示某個頻率的衰減。為了描述衰減特性與頻率表7-1四種濾波器函數表7-1四種濾波器函數第7章射頻微波濾波器課件 7.1.3濾波器的設計方法 濾波器的設計方法有如下兩種:

(1)經典方法:即低通原型綜合法,先由衰減特性綜合出低通原型,再進行頻率變換,最后用微波結構實現電路元件。結合數學計算軟件(如Mathcad、MATLAB等)和微波仿真軟件(Ansoft、MicrowaveOffice等)可以得到滿意的結果。下面將重點介紹。

(2)軟件方法:先由軟件商依各種濾波器的微波結構拓撲做成軟件,使用者再依指標挑選拓撲、仿真參數、調整優(yōu)化。這些軟件有WAVECON、EAGEL等。購得這些軟件,濾波器設計可以進入“傻瓜”狀態(tài)。 7.1.3濾波器的設計方法 7.1.4濾波器的四種低通原型 下面簡要介紹表7-1中四種傳輸函數濾波器的設計方法。濾波器低通原型為電感電容網絡,其中,巴特沃士、切比雪夫、高斯多項式的梯形結構見圖7-2,橢圓函數的電路結構見圖7-3。元件數和元件值只與通帶結束頻率、衰減和阻帶起始頻率、衰減有關。設計中都采用表格而不用繁雜的計算公式。 7.1.4濾波器的四種低通原型圖7-2巴特沃士、切比雪夫、高斯多項式的電路結構圖7-2巴特沃士、切比雪夫、高斯多項式的電路結構圖7-3橢圓函數低通原型電路結構圖7-3橢圓函數低通原型電路結構表7-2巴特沃土元件圖表7-2巴特沃土元件圖 1.巴特沃士 已知帶邊衰減為3dB處的歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,則圖7-2中元件數n由式(7-2)給出,元件值由表7-2給出。 1.巴特沃士 2.切比雪夫 已知帶邊衰減與波紋指標LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,則圖7-2中元件數n由式(7-3)給出,元件值由表7-3給出。 2.切比雪夫表7-3切比雪夫元件值表略表7-3切比雪夫元件值表略 3.橢圓函數 已知帶邊衰減與波紋指標LAr、歸一化頻率Ωc=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率Ωs,阻帶波紋與通帶波紋相同,則圖7-3中元件數n和元件值由表7-4給出。 3.橢圓函數表7-4橢圓函數元件數和元件值(波紋=0.1dB)表略表7-4橢圓函數元件數和元件值(波紋=0.1dB)表略 4.高斯多項式 在現代無線系統中,會遇到保持頻帶內群延時平坦的場合。也可用圖7-2所示低通原型梯形結構實現這樣的功能,但電路元件不對稱。表7-5是這類濾波器低通原型的元件值。 4.高斯多項式表7-5等延時低通原型元件值表7-5等延時低通原型元件值

保證頻帶內群延時平坦的代價是犧牲衰減指標。隨頻率的提高衰減明顯增加,延時不變,如圖7-4所示。曲線表明,元件數多比元件數少時指標要好些。 保證頻帶內群延時平坦的代價是犧牲衰減指標。隨頻率的提高衰圖7-4最平坦延時型低通原型特性圖7-4最平坦延時型低通原型特性 7.1.5濾波器的四種頻率變換 由低通原型濾波器經過頻率變換,就可得到低通、高通、帶通、帶阻四種實用濾波器。定義阻抗因子為g0為電阻g0為電導 7.1.5濾波器的四種頻率變換g0為電阻g0為電導 1.低通變換 低通原型向低通濾波器的變換關系如圖7-5(a)所示,變換實例見圖7-5(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,邊頻fc=2GHz。 變換過程為:選擇圖7-2(b)所示原型,查表7-2可得,g0=g4=1.0Ω,g1=g3=1.0H,g2=1.0F。已知γ0=50,ωc=2πfc,由圖7-5(a)中變換關系計算得L1=L3=3.979nH,C2=3.183pF。 1.低通變換圖7-5低通原型向低通濾波器的變換關系圖7-5低通原型向低通濾波器的變換關系 2.高通變換 低通原型向高通濾波器的變換關系如圖7-6(a)所示,變換實例見圖7-6(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,邊頻fc=2GHz,計算結果見圖7-6(b)。 2.高通變換圖7-6低通原型向高通濾波器的變換關系圖7-6低通原型向高通濾波器的變換關系 3.帶通變換 低通原型向帶通濾波器的變換關系如圖7-7(a)所示,變換實例見圖7-7(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,通帶FBW=1~2GHz。 3.帶通變換圖7-7低通原型向帶通濾波器的變換關系圖7-7低通原型向帶通濾波器的變換關系 4.帶阻變換 低通原型向帶阻濾波器的變換關系如圖7-8(a)所示,變換實例見圖7-8(b)。三節(jié)巴特沃士原型的Ωc=1,Z0=50Ω,阻帶FBW=1~2GHz。 4.帶阻變換圖7-8低通原型向帶阻濾波器的變換關系圖7-8低通原型向帶阻濾波器的變換關系 7.1.6濾波器的微波實現 四種射頻/微波濾波器的實現方式有集總元件L-C型和傳輸線型。所用微波傳輸線基本結構有波導、同軸線、帶狀線和微帶等。用這些傳輸線的電抗元件實現前述變換所得電感、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)必須有實驗調整。 集總參數和微帶線結構是下面重點要介紹的內容。 7.1.6濾波器的微波實現7.2集總參數濾波器 7.2.1集總元件低通濾波器 設計一個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=50Ω。 步驟一:確定指標:特性阻抗Z0=50Ω,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。7.2集總參數濾波器 7.2.1集總元件低通濾波器

步驟二:計算元件級數n,令,則

n取最接近的整數,則n=5。 步驟三:查表求原型元件值gi,如表7-6所示。 步驟二:計算元件級數n,令表7-6原型元件值表7-6原型元件值表7-7實際元件值表7-7實際元件值

步驟五:畫出電路,如圖7-9所示。仿真特性如圖7-10所示。 步驟五:畫出電路,如圖7-9所示。仿真特性如圖7-10圖7-9低通電路圖7-9低通電路圖7-10電路仿真結果圖7-10電路仿真結果 7.2.2集總元件帶通濾波器 設計一個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75±15MHz的衰減大于30dB,Z0=50Ω。 7.2.2集總元件帶通濾波器

步驟一:確定指標:

特性阻抗Z0=50Ω

上通帶邊頻f1=75+5=80MHz

下通帶邊頻f2=75-5=70MHz

上阻帶邊頻f=75+15=90MHz

下阻帶邊頻f=75-15=60MHz

通帶內最大衰減LAr=3dB

阻帶最小衰減LAs=30dB 步驟一:確定指標:

步驟二:計算相關參數:

步驟二:計算相關參數:

步驟三:計算元件節(jié)數n。令 則

n取整數3。 步驟四:計算原型元件值gi,如表7-8所示。 步驟三:計算元件節(jié)數n。令表7-8原型元件值表7-8原型元件值

步驟五:畫出電路,如圖7-11所示。仿真結果如圖7-12所示。 步驟五:畫出電路,如圖7-11所示。仿真結果如圖7圖7-11等效電路圖圖7-11等效電路圖圖7-12仿真結果圖7-12仿真結果7.3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討論 設計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=50Ω。 步驟一:三節(jié)低通原型元件值為

g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。7.3各種微帶線濾波器 7.3.1低通濾波器

步驟二:進行低通變換,得到 步驟二:進行低通變換,得到

步驟三:微帶實現。

(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。 微帶基板參數為10.8/1.27,波導波長對應截止頻率為1.0GHz,取高、低阻抗線的特性阻抗分別為Z0L=93Ω,Z0C=24Ω。微帶線的參數見表7-9。 步驟三:微帶實現。表7-9微帶線參數表7-9微帶線參數

高、低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到: 上式中沒有考慮低阻抗線的串聯電抗和高阻抗線的并聯電納??紤]這些因素的影響,高、低阻抗線的長度可調整為

高、低阻抗線的物理長度可以由以下公式得到:

解上面的方程,得到lL=9.81mm,lC=7.11mm。 圖7-13(a)給出了微帶結構尺寸,圖(b)是分析軟件計算的濾波器特性曲線。 解上面的方程,得到lL=9.81mm,lC=7.11m圖7-13高、低阻抗線低通濾波器(a)濾波器微帶結構;(b)特性曲線圖7-13高、低阻抗線低通濾波器 (2)微帶枝節(jié)線。用高阻抗線實現電感,開路枝節(jié)實現電容,有 考慮不連續(xù)性,應滿足 (2)微帶枝節(jié)線。用高阻抗線實現電感,開路枝節(jié)實現電容

解得lC=6.28mm,考慮開路終端縮短效應(0.5mm),故lC=6.28-0.5=5.78mm。 圖7-14(a)是枝節(jié)線型濾波器微帶結構尺寸,圖(b)是仿真特性曲線。 解得lC=6.28mm,考慮開路終端縮短效應(0.5mm

圖7-14枝節(jié)線低通濾波器(a)濾波器微帶結構;(b)特性曲線圖7-14枝節(jié)線低通濾波器

這兩種三節(jié)切比雪夫濾波器在阻帶遠區(qū)的特性仿真結果如圖7-15所示。盡管通帶內兩個結構基本一致,但阻帶內階梯阻抗線特性明顯不如開路枝節(jié)濾波器。在5.6GHz時,開路枝節(jié)有一個衰減極值,這是因為枝節(jié)在該頻率相當于四分之一波長,開路變短路,使得信號完全反射了。 這兩種三節(jié)切比雪夫濾波器在阻帶遠區(qū)的特性仿真結果如圖7-圖7-15兩種結構的阻帶仿真圖7-15兩種結構的阻帶仿真

為了改善阻帶特性,提高滾降指標,可用七節(jié)實現,原型變換后元件值為 Z0=50Ω,C1=C7=3.7596pF L2=L6=11.322nH,C3=C5=6.6737pF L4=12.52nH 圖7-16(a)、(b)是七節(jié)集總元件電路圖和微帶枝節(jié)電路圖,圖(c)是仿真結果。 為了改善阻帶特性,提高滾降指標,可用七節(jié)實現,原型變換后圖7-16七節(jié)切比雪夫濾波器圖7-16七節(jié)切比雪夫濾波器

表7-10給出了微帶枝節(jié)設計的兩組取值結果。由圖7-16可以看出,L-C低通原型的性能最好,設計1性能次之,設計2性能最差。設計1尺寸基本接近集總元件,設計2中高阻線長度在2.86GHz時近似等于二分之一波導波長,發(fā)生諧振引起濾波器的寄生通帶,降低了阻帶指數,這是我們所不希望的。因此,微帶濾波器的拓撲結構沒有絕對的優(yōu)劣,設計濾波器時要多方面充分比較各種參數,既要照顧電氣指標,還要考慮加工可行性,才能得到一個良好的方案。 表7-10給出了微帶枝節(jié)設計的兩組取值結果。由圖7-表7-10微帶枝節(jié)設計的兩組取值表7-10微帶枝節(jié)設計的兩組取值 2.橢圓函數濾波器實例 圖7-17所示為六節(jié)橢圓函數濾波器的原型和微帶結構實例尺寸及仿真結果。從概念上理解,仍然是高阻抗線近似于電感,低阻抗線近似于電容。 2.橢圓函數濾波器實例圖7-17橢圓函數原型圖7-17橢圓函數原型

該原型的元件值和實際值為 g0=g7=1.000,gL1=g1=0.8214 gL2=g2′=0.3892,gL3=g3=1.1880 gL4=g4′=0.7413,gL5=g5=1.1170 gC2=g2=1.0840,gC4=g4=0.9077 gC6=g6=1.1360

L1=6.53649nH,L2=3.09716nH L3=9.45380nH,L4=5.89908nH L5=8.88880nH,C2=3.45048pF C4=2.88930pF,C6=3.61600pF 該原型的元件值和實際值為

用微帶實現,元件值為 Z0C=14Ω,Z0=50Ω,Z0L=93Ω WC=8.0mm,W0=1.1mm,WL=0.2mm λgC(fc)=101mm,λg0=112mm, λgL(fc)=118mm λgC(fp1)=83mm,λgL(fp1)=97mmλgC(fp2)=66mm,λgL(fp2)=77mm 用微帶實現,元件值為

圖7-18是最后的微帶結構和特性曲線。圖7-18是最后的微帶結構和特性曲線。圖7-18微帶橢圓函數低通濾波器圖7-18微帶橢圓函數低通濾波器 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,每一段線就是一個半波長諧振器,亦即構成濾波器基本元件,間隙是耦合電容,相當于變換器。變換器的作用使得諧振單元可以看作串聯也可看作并聯,這由變換器的結構參數決定。因此,這個結構能實現帶通濾波器。 7.3.2帶通濾波器圖7-19端耦合諧振單元帶通濾波器圖7-19端耦合諧振單元帶通濾波器

設計實例: 設計三節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=6GHz,FBW=2.8%,波紋為0.1dB。 步驟一:查表得三節(jié)原型參數為g0=g4=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

θ1=θ3=π-[arctan(2×0.2157)+arctan(2×0.0405)]=2.8976rad θ2=π-[arctan(2×0.0405)+arctan(2×0.0405)]=3.0608rad C0.1g=C3.4g=0.11443pF C1.2g=C2.3g=0.021483pF 設計實例:

步驟三:微波實現,介質參數為10.8/1.27,考慮邊沿效應修正后,得

l1=l3=×2.8976-0.0269-0.2505=8.148mm l2=×3.0608-0.2505-0.2505=8.399mm S0,1=S3,4=0.057mm S1,2=S2,3=0.801mm

步驟四:用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-20所示。 步驟三:微波實現,介質參數為10.8/1.27,考慮邊圖7-20三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器圖7-20三節(jié)端耦合微帶帶通濾波器 2.平行耦合線器濾波器 如圖7-21所示,每一段線就是一個半波長諧振(相當于濾波器元件值),平行的間隙是耦合元件(相當于變換器),耦合間隙在諧振線邊緣可以實現寬頻帶耦合。 2.平行耦合線器濾波器圖7-21平行耦合諧振單元帶通濾波器圖7-21平行耦合諧振單元帶通濾波器

設計實例:

設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=10GHz,FBW=15%,波紋為0.1dB。 步驟一:查表得五節(jié)低通原型參數為 g0=g6=1.0,g1=g5=1.1468 g2=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。 設計實例:表7-11元件值表7-11元件值

步驟三:微波實現,介質參數為10.2/0.635,考慮邊沿效應修正后,結果如表7-12所示。 步驟三:微波實現,介質參數為10.2/0.635,考慮表7-12微帶尺寸表7-12微帶尺寸

步驟四:用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-22所示,這種濾波器的通帶較寬。 步驟四:用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-22圖7-22平行耦合諧振單元帶通濾波器圖7-22平行耦合諧振單元帶通濾波器 3.發(fā)卡式濾波器 將平行耦合線的半波長諧振線對折,可以減小體積,如圖7-23所示。設計中,要考慮對諧振線折后的間隙耦合,在長度和間隙上做適當修正。發(fā)卡式濾波器結構緊湊,指標良好,在射頻、濾波工程中最多。 3.發(fā)卡式濾波器圖7-23發(fā)卡式帶通濾波器圖7-23發(fā)卡式帶通濾波器

設計實例:

設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=2GHz,FBW=20%,波紋為0.1dB,介質參數為10.2/1.27。用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖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 上述濾波器的諧振單元都是半波長諧振器,如果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結構特點是一端短路,另一端開路,在同軸和帶狀線較易實現,微帶結構需要通過金屬化孔接地。這類諧振器構成濾波器的最大好處是尺寸可縮短接近一半。

設計實例:

如果各個諧振單元的開路端和短路端交叉布局,則為交指線濾波器,如圖7-24所示。如果開路端在一邊,短路端在一邊,則為梳狀線濾波器,如圖7-25所示。 這兩種濾波器還有另外幾種變形。最常用的變形形式是在開路端加集總參數電容器,進一步縮小尺寸,便于調試或構成可調諧濾波器。這個集總電容的實現方式也是多種多樣的,如固定、空氣可調、同軸可調,變容二極管等,應根據任務情況選擇使用。 如果各個諧振單元的開路端和短路端交叉布局,則為交指線濾波 1)交指濾波器實例 設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=2GHz,FBW=50%,波紋為0.1dB,介質參數為6.15/1.27。用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-24所示,這種濾波器通帶更寬。 1)交指濾波器實例圖7-24交指濾波器圖7-24交指濾波器 2)梳狀濾波器實例 設計五節(jié)切比雪夫帶通濾波器。設計指標為f0=2GHz,FBW=10%,波紋為0.1dB,介質參數為10.8/1.27。用軟件仿真,微帶結構尺寸和仿真結果如圖7-25所示。交指線濾波器和梳狀濾波器的輸入輸出耦合常使用抽頭耦合,就是在兩端的諧振線上引出微帶線。引線的位置決定端耦合系數,諧振線長度的中間耦合最強,向短路端移逐漸減弱。 2)梳狀濾波器實例圖7-25梳狀濾波器圖7-25梳狀濾波器 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)則為:串聯電感變成串聯電容,并聯電容變成并聯電感。 設計實例一:半集總參數微帶 設計三節(jié)切比雪夫高通濾波器。設計指標為fc=1.5GHz,波紋為0.1dB,介質參數為2.2/1.57,阻抗為50

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