第6章射频滤波器的设计课件.ppt
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1、射频电路许多有源和无源部件都没有射频电路许多有源和无源部件都没有获得精确的频率特性,因而在设计射频系获得精确的频率特性,因而在设计射频系统时通常会加入滤波器,以非常精确地实统时通常会加入滤波器,以非常精确地实现预定的频率特性。滤波器是一个二端口现预定的频率特性。滤波器是一个二端口网络,允许所需要频率的信号以最小可能网络,允许所需要频率的信号以最小可能的衰减通过,同时衰减不需要频率的信号。的衰减通过,同时衰减不需要频率的信号。镜像参量法和插入损耗法都可以用来镜像参量法和插入损耗法都可以用来设计滤波器,现今大多数滤波器是采用插设计滤波器,现今大多数滤波器是采用插入损耗法设计的,因其可以得到完整的频
2、入损耗法设计的,因其可以得到完整的频率响应。本章讲述采用插入损耗法设计滤率响应。本章讲述采用插入损耗法设计滤波器。波器。当频率不高时,滤波器可以由集总元当频率不高时,滤波器可以由集总元件的电感和电容构成,但当频率高于件的电感和电容构成,但当频率高于500MHz时,电路寄生参数的影响不可忽时,电路寄生参数的影响不可忽略,滤波器通常由分布参数元件构成。略,滤波器通常由分布参数元件构成。用插入损耗法设计滤波器,得到的是用插入损耗法设计滤波器,得到的是集总元件滤波电路,频率高时需要将集总集总元件滤波电路,频率高时需要将集总元件滤波电路变换为分布参数电路实现。元件滤波电路变换为分布参数电路实现。本章首先
3、讨论滤波器的类型;然后用本章首先讨论滤波器的类型;然后用插入损耗法设计低通滤波器原型插入损耗法设计低通滤波器原型;进而通过进而通过滤波器变换将低通滤波器原型变换为各种滤波器变换将低通滤波器原型变换为各种类型的集总元件滤波器;最后讨论将集总类型的集总元件滤波器;最后讨论将集总元件滤波器变换为各种分布参数滤波器。元件滤波器变换为各种分布参数滤波器。平行耦合微带传输线通常由靠得很近的平行耦合微带传输线通常由靠得很近的3个个导体构成(如图导体构成(如图624所示),这种结构介所示),这种结构介质厚度为质厚度为d,介质相对介电常数为,介质相对介电常数为r,在介,在介质的下面为公共导体接地板,在介质的上质
4、的下面为公共导体接地板,在介质的上面为面为2个宽度为个宽度为W、相距为、相距为S的中心导体带。的中心导体带。滤波器的类型滤波器的类型6.1用插入损耗法设计低通滤波器原型用插入损耗法设计低通滤波器原型6.2滤波器的变换滤波器的变换6.3短截线滤波器的实现短截线滤波器的实现6.4阶梯阻抗低通滤波器阶梯阻抗低通滤波器6.5耦合微带线滤波器耦合微带线滤波器6.6滤波器有低通滤波器、高通滤波器、滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器和带阻滤波器4种基本类型。种基本类型。理想滤波器是不存在的,实际滤波器理想滤波器是不存在的,实际滤波器与理想滤波器有差异。实际滤波器既不能与理想滤波
5、器有差异。实际滤波器既不能实现通带内信号无损耗地通过,也不能实实现通带内信号无损耗地通过,也不能实现阻带内信号衰减无穷大。现阻带内信号衰减无穷大。以低通滤波器为例,实际低通滤波器以低通滤波器为例,实际低通滤波器允许低频信号以很小的衰减通过滤波器,允许低频信号以很小的衰减通过滤波器,当信号频率超过截止频率后,信号的衰减当信号频率超过截止频率后,信号的衰减将急剧增大。将急剧增大。图图6.1 4种理想滤波器种理想滤波器低通滤波器原型是设计滤波器的基础,低通滤波器原型是设计滤波器的基础,集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数元件滤波器,可以根据低通以及分布
6、参数元件滤波器,可以根据低通滤波器原型变换而来。滤波器原型变换而来。本节用插入损耗作为考察滤波器的指本节用插入损耗作为考察滤波器的指标,讨论低通滤波器原型的设计方法。标,讨论低通滤波器原型的设计方法。在插入损耗法中,滤波器的响应是用在插入损耗法中,滤波器的响应是用插入损耗表征的。插入损耗定义为来自源插入损耗表征的。插入损耗定义为来自源的可用功率与传送到负载功率的比值,用的可用功率与传送到负载功率的比值,用dB表示的插入损耗定义为表示的插入损耗定义为 插入损耗可以选特定的函数,随所需插入损耗可以选特定的函数,随所需的响应而定,常用的有通带内最平坦、通的响应而定,常用的有通带内最平坦、通带内有等幅
7、波纹起伏、通带和阻带内都有带内有等幅波纹起伏、通带和阻带内都有等幅波纹起伏和通带内有线性相位等幅波纹起伏和通带内有线性相位4种响应种响应的情形,对应这的情形,对应这4种响应的滤波器称为巴特种响应的滤波器称为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器和线性相位滤波器。滤波器和线性相位滤波器。6.2.1 巴特沃斯低通滤波器原巴特沃斯低通滤波器原型型如果滤波器在通带内的插入损耗随频如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的,这种滤波器称为巴率的变化是最平坦的,这种滤波器称为巴特沃斯滤波器,也称为最平坦滤波器。特沃斯滤波器,也称为最平坦滤波器。对于低通滤
8、波器,最平坦响应的数学对于低通滤波器,最平坦响应的数学表示式为表示式为 图图6.2 低通滤波器的最平坦响应低通滤波器的最平坦响应 图图6.3 低通巴特沃斯滤波器衰减随频率变化的对应关系低通巴特沃斯滤波器衰减随频率变化的对应关系2.低通滤波器原型低通滤波器原型 滤波器可以由集总元件电感和电容构滤波器可以由集总元件电感和电容构成。考虑图成。考虑图6.4所示的二元件电路,是一个所示的二元件电路,是一个低通滤波器,下面将对最平坦响应推导出低通滤波器,下面将对最平坦响应推导出图中元件图中元件L和和C的值。的值。采用低通滤波器原型,假定其源阻抗采用低通滤波器原型,假定其源阻抗为为1,截止频率为,截止频率为
9、c=1。由式(由式(6.2),当),当N=2时最平坦响应为时最平坦响应为 图图6.4 二元件低通滤波器原型二元件低通滤波器原型用同样的方法可以求出用同样的方法可以求出N元件低通滤元件低通滤波器原型的元件取值。波器原型的元件取值。图图6.5 低通滤波器原型电路低通滤波器原型电路6.2.2 切比雪夫低通滤波器原切比雪夫低通滤波器原型型如果滤波器在通带内有等波纹的响应,如果滤波器在通带内有等波纹的响应,这种滤波器称为切比雪夫滤波器,也称为这种滤波器称为切比雪夫滤波器,也称为等波纹滤波器。等波纹滤波器。图图6.6 等波纹低通滤波器的响应等波纹低通滤波器的响应1.切比雪夫多项式切比雪夫多项式第第N阶切比
10、雪夫多项式是用阶切比雪夫多项式是用TN(x)表示表示的的N次多项式。前次多项式。前4阶切比雪夫多项式是阶切比雪夫多项式是2.通带和阻带通带和阻带 c是是低通滤波器的阻带低通滤波器的阻带;=c是通带和阻带的是通带和阻带的分界点。分界点。3.低通滤波器原型低通滤波器原型 切比雪夫低通滤波器原型假定源阻抗切比雪夫低通滤波器原型假定源阻抗为为1,截止频率为,截止频率为c=1。图图6.7 切比雪夫滤波器衰减随频率变化的对应关系切比雪夫滤波器衰减随频率变化的对应关系6.2.3 椭圆函数低通滤波器原椭圆函数低通滤波器原型型最平坦响应和等波纹响应两者在阻带最平坦响应和等波纹响应两者在阻带内都有单调上升的衰减。
11、内都有单调上升的衰减。在有些应用中需要设定一个最小阻带在有些应用中需要设定一个最小阻带衰减,在这种情况下能获得较好的截止陡衰减,在这种情况下能获得较好的截止陡度,这种类型的滤波器称为椭圆函数滤波度,这种类型的滤波器称为椭圆函数滤波器。器。椭圆函数滤波器在通带和阻带内都有椭圆函数滤波器在通带和阻带内都有等波纹响应,如图等波纹响应,如图6.8所示。对于椭圆函数所示。对于椭圆函数滤波器这里不做进一步的讨论,相关内容滤波器这里不做进一步的讨论,相关内容可以查阅参考文献。可以查阅参考文献。图图6.8 椭圆函数低通滤波器的响应椭圆函数低通滤波器的响应6.2.4 线性相位低通滤波器原线性相位低通滤波器原型型
12、前面前面3种滤波器都是设定振幅响应,种滤波器都是设定振幅响应,但在有些应用中,线性的相位响应比陡峭但在有些应用中,线性的相位响应比陡峭的阻带振幅衰减响应更为关键。的阻带振幅衰减响应更为关键。线性的相位响应与陡峭的阻带振幅衰线性的相位响应与陡峭的阻带振幅衰减响应不兼容,如果要得到线性相位,相减响应不兼容,如果要得到线性相位,相位函数必须有如下特征位函数必须有如下特征式(式(6.13)表明相位的群时延是最平)表明相位的群时延是最平坦函数。坦函数。6.3.1 阻抗变换阻抗变换6.3.2 频率变换频率变换将归一化频率变换为实际频率,相当将归一化频率变换为实际频率,相当于变换原型中的电感和电容值。于变换
13、原型中的电感和电容值。通过频率变换,不仅可以将低通滤波通过频率变换,不仅可以将低通滤波器原型变换为低通滤波器,而且可以将低器原型变换为低通滤波器,而且可以将低通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。下面分别加以讨论。波器和带阻滤波器。下面分别加以讨论。1.低通滤波器原型变换为低通滤低通滤波器原型变换为低通滤波器波器将低通滤波器原型的截止频率由将低通滤波器原型的截止频率由1改改变为变为c(c1),在低通滤波器中需要用),在低通滤波器中需要用/c代替低通滤波器原型中的代替低通滤波器原型中的,即,即 图图6.9 低通滤波器原型到低通滤波器的频率变换低
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