腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)課件

腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)微波及其特點(diǎn)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(diǎn)。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的基本原理

濾波器顧名思義就是對電磁波信號(hào)進(jìn)行過濾，讓需要的信號(hào)通過，抑制不需要的信號(hào)，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(dòng)、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數(shù)、功率容量、群時(shí)延指標(biāo)來描述。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的四種形式低通濾波器腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)低通濾波器電路原型腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的四種形式高通濾波器腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的四種形式帶通濾波器腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器電路原型腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的四種形式帶阻濾波器腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)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(biāo)規(guī)定嚴(yán)格了的，不需要怎樣的去按照上面的定義去具體計(jì)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.腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)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(shí)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(zhǔn)的插值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:其中PL是濾波器向負(fù)載輸出的功率,Pin是濾波器從信號(hào)源得到的輸入功率,一般希望插入損耗越小越好。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)帶內(nèi)波動(dòng)在規(guī)定的帶寬內(nèi),插入損耗最大點(diǎn)減去最小點(diǎn)的即為帶內(nèi)波動(dòng)。又叫帶內(nèi)波紋或者通帶波紋。指通帶內(nèi)信號(hào)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。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)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(hào)全部通過，通道外的信號(hào)全部過濾掉，但實(shí)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(hào)的衰減幅度,對不需要的頻率點(diǎn)，信號(hào)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(xiàng)指標(biāo)。帶外抑制這個(gè)概念實(shí)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(hào)的衰減已經(jīng)被抑制得比較充分，這個(gè)具體的損耗值就是帶外抑制的值。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)端口駐波比端口駐波是衡量濾波器性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，反應(yīng)濾波器件與系統(tǒng)中其它部件的匹配程度。當(dāng)系統(tǒng)不匹配時(shí),饋線上同時(shí)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(gè)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(gè)最小電壓振幅Emin，稱為波節(jié)。其它各點(diǎn)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。

腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)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(dāng)ZL和Z0都為實(shí)數(shù)時(shí)腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)該指標(biāo)另一個(gè)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：腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)隔離度為了區(qū)分在有兩個(gè)或者兩個(gè)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(shí)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(gè)通道分別接rx與tx端，而ATN端接50歐姆負(fù)載時(shí)，整個(gè)頻段（TX的高端點(diǎn)與RX的低端點(diǎn)之間的帶寬）或者兩個(gè)通帶內(nèi)（RX頻帶內(nèi)和TX頻帶內(nèi)）s12或者s21的值。

腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)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:腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)功率容量濾波器能承受的最大信號(hào)通過功率，濾波器的脈沖功率容量有綠噢其中強(qiáng)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(qiáng)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.腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)群時(shí)延信號(hào)通過濾波器時(shí)的延遲時(shí)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(gè)諧振器的帶通濾波器，通帶內(nèi)的群時(shí)延可近似估計(jì)為：腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)反射時(shí)延濾波器單節(jié)的反射時(shí)延可近似估計(jì)為：實(shí)際調(diào)試中可以調(diào)節(jié)抽頭耦合線的高度及粗細(xì)等來調(diào)節(jié)腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器指標(biāo)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50Ω腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)RX測試圖形腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)TX測試圖形腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的實(shí)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)濾波器腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)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(jì)，在當(dāng)今移動(dòng)通信頻段領(lǐng)域使用最多的當(dāng)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(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中，我們使用了改進(jìn)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(diǎn)是：結(jié)構(gòu)通用，易于開發(fā)移植，適用移動(dòng)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。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)主要由諧振腔、諧振導(dǎo)體、調(diào)諧釘組成腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)無加載電容腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的結(jié)構(gòu)腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的結(jié)構(gòu)腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)濾波器的特性與濾波器的設(shè)計(jì)關(guān)系很大，濾波器的抑制特性一般采用三種設(shè)計(jì)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(jì)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(jí)數(shù)越多，帶外衰減越快；b)Q值越高，損耗越?。籧)通帶帶寬越寬，損耗越?。籨)工作頻率越高，損耗越大；腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)微波帶通濾波器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(jì)公式，然后用微波結(jié)構(gòu)來實(shí)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。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)0.01分貝切比雪夫低通濾波器

衰減特性圖

腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)低通原型元件數(shù)值表腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)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(jì)公式。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)

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(gè)諧振器并聯(lián)的電感和電容，j01

是個(gè)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。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)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）。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)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(fù)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

。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)經(jīng)過計(jì)算可得：相鄰兩個(gè)諧振器間的耦合系數(shù)：計(jì)算得出各諧振器之間的耦合系數(shù)以后，通過用AnsoftHFSS進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)仿真，從而得出實(shí)際的尺寸結(jié)構(gòu)。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)例技術(shù)指標(biāo)工作帶寬：825-835MHz插入損耗：≤1.0dB帶內(nèi)波動(dòng)：≤0.5dB帶外抑制：FC±10MHz≥40dB駐波比：≤1.2腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)首先我們應(yīng)該對阻帶頻率進(jìn)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。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)插入損耗的計(jì)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(dāng)n=5時(shí)，∑gn=g1+g2+…+gn=0.75+1.30+1.57+1.30+0.75=5.63通過計(jì)算我們可以的出當(dāng)L=0.5dB，Q=4143。這時(shí)我們可以通過AnsoftHFSS進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)仿真，得出單個(gè)諧振器的結(jié)構(gòu)。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)仿真單腔Q值和諧振頻率的HFSS模型腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)級(jí)間耦合系數(shù)的計(jì)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。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)HFSS中的耦合系數(shù)（窗口）仿真模型腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)濾波器中的交叉耦合交叉耦合：它的原理實(shí)際上就是引入傳輸函數(shù)的零極點(diǎn)和副零極點(diǎn)，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(shí)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(fù)耦合。不同的耦合有不同的作用。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)感性交叉耦合腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)容性交叉耦合腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)容性交叉耦合腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)左圖為不加交叉耦合的圖形，右圖為加交叉耦合后的圖形腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段1.GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）全球移動(dòng)通訊系統(tǒng),頻率范圍中國移動(dòng)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腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)有移動(dòng)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腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段3.TD-SCDMA（TimeDivisionSynchronousDodeDivisionMultipleAccess）的中文含義為時(shí)分同步碼分多址接入頻率范圍1880MHz-1920MHz;2010MHz-2025MHz；補(bǔ)充頻段：2300MHz-2400MHz。腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)有移動(dòng)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腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用頻段5.PHS(PersonalHandlingSystem)個(gè)人手持設(shè)備目前國內(nèi)典型應(yīng)用頻率為1900MHz-1910MHz1900MHz-1915MHz1900MHz-1920MHz腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)有移動(dòng)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(gè)頻段都可以用做無線局域上網(wǎng)頻段,2.4GHz:2400MHz-2483.5MHz5.8GHz:5725MHz-5850MHz腔體濾波器基礎(chǔ)知識(shí)CDMA、GSM雙工器的應(yīng)用從上圖可以實(shí)際的看到雙工器和濾波器的