微波濾波器設(shè)計培訓(xùn)教程

微波濾波器設(shè)計培訓(xùn)教程微波及其特點所謂微波是一種具有極高頻率（通常為300MHz~300GHz），波長很短，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。濾波器的基本原理

濾波器顧名思義就是對電磁波信號進行過濾，讓需要的信號通過，抑制不需要的信號，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、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數(shù)、功率容量、群時延指標來描述。濾波器的四種形式低通濾波器低通濾波器電路原型濾波器的四種形式高通濾波器濾波器的四種形式帶通濾波器帶通濾波器電路原型濾波器的四種形式帶阻濾波器帶通濾波器技術(shù)指標通帶工作頻段即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)指標規(guī)定嚴格了的，不需要怎樣的去按照上面的定義去具體計算。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.帶通濾波器技術(shù)指標插入損耗又稱衰減,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基準的插值,其數(shù)學(xué)表達式為:其中PL是濾波器向負載輸出的功率,Pin是濾波器從信號源得到的輸入功率,一般希望插入損耗越小越好。帶通濾波器技術(shù)指標帶內(nèi)波動在規(guī)定的帶寬內(nèi),插入損耗最大點減去最小點的即為帶內(nèi)波動。又叫帶內(nèi)波紋或者通帶波紋。指通帶內(nèi)信號幅度的起伏程度，也受限于諧振器的固有Q值，一般希望盡可能的小。帶通濾波器技術(shù)指標帶外抑制又稱阻帶抑制,理想的濾波器是矩形的，通帶內(nèi)的信號全部通過，通道外的信號全部過濾掉，但實際情況是，只能過濾掉一部分能量，帶外抑制度反應(yīng)了對過濾信號的衰減幅度,對不需要的頻率點，信號的抑制能力，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指標。帶外抑制這個概念實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，信號的衰減已經(jīng)被抑制得比較充分，這個具體的損耗值就是帶外抑制的值。帶通濾波器技術(shù)指標端口駐波比端口駐波是衡量濾波器性能的一個關(guān)鍵指標，反應(yīng)濾波器件與系統(tǒng)中其它部件的匹配程度。當系統(tǒng)不匹配時,饋線上同時存在入射波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最小電壓振幅Emin，稱為波節(jié)。其它各點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。

帶通濾波器技術(shù)指標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ZL和Z0都為實數(shù)時帶通濾波器技術(shù)指標該指標另一個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：帶通濾波器技術(shù)指標隔離度為了區(qū)分在有兩個或者兩個以上通帶情況下（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)分析儀的兩個通道分別接rx與tx端，而ATN端接50歐姆負載時，整個頻段（TX的高端點與RX的低端點之間的帶寬）或者兩個通帶內(nèi)（RX頻帶內(nèi)和TX頻帶內(nèi)）s12或者s21的值。

帶通濾波器技術(shù)指標矩形系數(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:帶通濾波器技術(shù)指標功率容量濾波器能承受的最大信號通過功率，濾波器的脈沖功率容量由其中強電場對介質(zhì)的擊穿來確定，這與濾波器的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)強度有關(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.帶通濾波器技術(shù)指標群時延信號通過濾波器時的延遲時間，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，對于N個諧振器的帶通濾波器，通帶內(nèi)的群時延可近似估計為：反射時延濾波器單節(jié)的反射時延可近似估計為：實際調(diào)試中可以調(diào)節(jié)抽頭耦合線的高度及粗細等來調(diào)節(jié)濾波器指標的測試雙工器測試示意圖：網(wǎng)絡(luò)分析儀

PORT1PORT2

TXANTRX(發(fā)射)(天線)(接收)雙工器50Ω網(wǎng)絡(luò)分析儀

PORT1PORT2

TXANTRX(發(fā)射)(天線)(接收)雙工器50ΩRX測試圖形TX測試圖形濾波器的實現(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，在當今移動通信頻段領(lǐng)域使用最多的當是同軸腔，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。在實際的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中，我們使用了改進的雙同軸UIR(均勻阻抗匹配)四分之一波長諧振結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)通用，易于開發(fā)移植，適用移動通信全頻段；調(diào)節(jié)范圍大，對公差要求不高，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。主要由諧振腔、諧振導(dǎo)體、調(diào)諧釘組成無加載電容濾波器的結(jié)構(gòu)濾波器的結(jié)構(gòu)微波帶通濾波器的設(shè)計濾波器的特性與濾波器的設(shè)計關(guān)系很大，濾波器的抑制特性一般采用三種設(shè)計函數(shù)：1、巴特沃斯函數(shù)；2、切比雪夫函數(shù)；3、橢圓函數(shù)，其中切比雪夫函數(shù)最為常用。濾波器的損耗近似計算公式為：L≈4.34×f0×∑gk/（BW×Q）

。一般來說，濾波器的特性存在以下規(guī)律：a)濾波器的級數(shù)越多，帶外衰減越快；b)Q值越高，損耗越??；c)通帶帶寬越寬，損耗越??；d)工作頻率越高，損耗越大；微波帶通濾波器的設(shè)計設(shè)計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)計公式，然后用微波結(jié)構(gòu)來實現(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。RF濾波器綜合過程濾波器的技術(shù)指標頻率變換低通原型傳遞特性低通原型綜合低通原型元件值頻率變換實際濾波器元件的歸一化值阻抗變換反歸一化實際濾波器真實元件值0.01分貝切比雪夫低通濾波器

衰減特性圖

低通原型元件數(shù)值表從下圖(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)計公式。

圖（b）是經(jīng)過圖（a）的頻率變換得到的，圖中的Lrj,Crj是第j個諧振器并聯(lián)的電感和電容，j01

是個諧振器間的導(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。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）。圖（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

。經(jīng)過計算可得：相鄰兩個諧振器間的耦合系數(shù)：計算得出各諧振器之間的耦合系數(shù)以后，通過用AnsoftHFSS進行物理結(jié)構(gòu)仿真，從而得出實際的尺寸結(jié)構(gòu)。設(shè)計實例技術(shù)指標工作帶寬：825-835MHz插入損耗：≤1.0dB帶內(nèi)波動：≤0.5dB帶外抑制：FC±10MHz≥40dB駐波比：≤1.2首先我們應(yīng)該對阻帶頻率進行歸一化：我們將f0=830MHz，f=845MHz或者F=815MHz帶如以上公式可得：Ω=2.994通過前面的圖表可以查出諧振器的數(shù)目n=5,這與我們通過軟件仿真得出的幅頻響應(yīng)曲線是基本符合的。插入損耗的計算：

L≈4.34×f0×∑gn/（BW×Q）*∑gn=g1+g2+…+gng值可以通過前面的元件值表查到當n=5時，∑gn=g1+g2+…+gn=0.75+1.30+1.57+1.30+0.75=5.63通過計算我們可以的出當L=0.5dB，Q=4143。這時我們可以通過AnsoftHFSS進行物理結(jié)構(gòu)仿真，得出單個諧振器的結(jié)構(gòu)。仿真單腔Q值和諧振頻率的HFSS模型級間耦合系數(shù)的計算通過查表得出g1=g5=0.75,g2=g4=1.30,g3=1.57.將g值代入以上公式可得：K12=K45=0.0122，K23=K34=8.43。HFSS中的耦合系數(shù)（窗口）仿真模型濾波器中的交叉耦合交叉耦合：它的原理實際上就是引入傳輸函數(shù)的零極點和副零極點，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耦合。不同的耦合有不同的作用。感性交叉耦合容性交叉耦合容性交叉耦合左圖為不加交叉耦合的圖形，右圖為加交叉耦合后的圖形現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)主要使用頻段1.GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）全球移動通訊系統(tǒng),頻率范圍中國移動GSM900上行：890MHz-909MHz；下行：935MHz-954MHz。中國聯(lián)通GSM900上行：909MHz-915MHz；下行：954MHz-960MHz。GSM1800（DCS）上行：1710MHz-1785MHz下行：1805MHz-1880MHz現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)主要使用頻段2.CDMA(Code-DivisionMultipleAccess)碼分多址頻率范圍上行：824MHz-849MHz；下行：869MHz-894MHz。目前中國聯(lián)通CDMA使用的頻率為上行：825MHz-835MHz；下行：870MHz-880MHz現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)主要使用頻段3.TD-SCDMA（TimeDivisionSynchronousDodeDivisionMultipleAccess）的中文含義為時分同步碼分多址接入頻率范圍1880MHz-1920MHz;2010MHz-2025MHz；補充頻段：2300MHz-2400MHz?，F(xiàn)有移動通信系統(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現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)主要使用頻段5.PHS(PersonalHandlingSystem)個人手持設(shè)備目前國內(nèi)典型應(yīng)用頻率為1900MHz-1910MHz1900MHz-1915MHz1900MHz-1920MHz現(xiàn)有移動通信系統(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兩個頻段都可以用做無線局域上網(wǎng)頻段,2.4GHz:2400MHz-2483.5MHz5.8GHz:5725MHz-5850MHz公司濾波器產(chǎn)品簡介公司目前的產(chǎn)品主要有多路合路平臺，基站系列產(chǎn)品，直放站系列產(chǎn)品，工程配件四大系列共50多種產(chǎn)品，產(chǎn)品種類齊全，產(chǎn)品范圍涵蓋了目前移動通信使用的CDMA、GSM、DCS、PHS、WCDMA、WLAN等頻段。主要產(chǎn)品：基站雙工器無源模塊（濾波器系列）多路合路平臺I型多路合路平臺多路合路平臺II型工程配件雙頻合路器三頻合路器多頻合路器CDMA/GSM、GSM/DCS、WCDMA/WLAN等雙頻合路器CDMA/GSM/PHS、PHS/WCDMA/WLAN等三頻合路器基站系列基站濾波器CDMA、GSM、WCDMA等基站雙工器CDMA、GSM、WCDMA等基站濾波器直放站系列直放站雙工器直放站濾波器CDMA、GSM、WCDMA等直放站雙工器CDMA、GSM、PHS、WCDMA