微波电路西电雷振亚老师的课件第7章射频微波滤波器.ppt

1、第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1 滤波器的基本原理滤波器的基本原理 7.2 集总参数滤波器集总参数滤波器7.3 各种微带线滤波器各种微带线滤波器7.4 微带线滤波器新技术微带线滤波器新技术第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1 滤波器的基本原理滤波器的基本原理 7.1.1 滤波器的指标 滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。下面对这些技术指标做一简单介绍。(1)工作频率:滤波器的通带频率范围,有两种定义方式：3 dB带宽:由通带最小插入损耗点（通带传输特性的最高点）向下移3 dB时所测的通带宽度。这是经典的

2、定义,没有考虑插入损耗,易引起误解,工程中较少使用。插损带宽:满足插入损耗时所测的带宽。这个定义比较严谨,在工程中常用。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器(2)插入损耗:由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗（如电感、电容、导体、介质的不理想）和滤波器的回波损耗（两端电压驻波比不为1）。插入损耗限定了工作频率,也限定了使用场合的两端阻抗。(3)带内纹波:插入损耗的波动范围。带内纹波越小越好,否则,会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器(4)带外抑制:规定滤波器在什么频率上会阻

3、断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。滤波器的寄生通带损耗越大越好,也就是谐振电路的二次、三次等高次谐振峰越低越好。(5)承受功率。在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1.2 滤波器的原理考虑图7-1所示的双端口网络,设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图7-

4、1 滤波器特性示意图滤波器ZLPLf0OfPinfO第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性,即式中,Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。随着频率的不同,式(7-1)的数值不同,这就是滤波器的衰减特性。根据衰减特性,滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种。这四种微波滤波器的特性都可由低通原型特性变换而来。dBPPLLinAlg10(7-1)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器式(7-1)仅表示某个频率的衰减。为了描述衰减特性与频率的相关性,通常使用数学多项式来逼近滤波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterwo

5、rth),等波纹型用切比雪夫(Tchebeshev),陡峭型用椭圆函数型(Elliptic)，等延时用高斯多项式（Gaussian）。表7-1 给出这四种类型滤波器的基本特性。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表7-1 四种滤波器函数第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1.3 滤波器的设计方法滤波器的设计方法有如下两种：(1)经典方法：即低通原型综合法,先由衰减特性综合出低通原型,再进行频率变换,最后用微波结构实现电路元件。结合数学计算软件(如Mathcad、MATLAB等)和微波仿真软件（Ansoft、Microwave

6、 Office等）可以得到满意的结果。下面将重点介绍。(2)软件方法:先由软件商依各种滤波器的微波结构拓扑做成软件,使用者再依指标挑选拓扑、仿真参数、调整优化。这些软件有WAVECON、EAGEL等。购得这些软件,滤波器设计可以进入“傻瓜”状态。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1.4 滤波器的四种低通原型下面简要介绍表7-1 中四种传输函数滤波器的设计方法。滤波器低通原型为电感电容网络,其中,巴特沃士、切比雪夫、高斯多项式的梯形结构见图7-2,椭圆函数的电路结构见图7-3。元件数和元件值只与通带结束频率、衰减和阻带起始频率、衰减有关。设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。第第

7、7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-2巴特沃士、切比雪夫、高斯多项式的电路结构g2g0g1g3gngn1(n为偶数)gngn1或(n为奇数)(a)g1g0g2g3gngn1(n为偶数)gngn1或(n为奇数)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-3椭圆函数低通原型电路结构1ngg0g1g2gngn1gn1或gngn1(n为 偶数)(n为 奇数)(a)g1g0g2gn12ggn1gn或gngn11ng(b)2g(n为 偶数)(n为 奇数)1ng1ng第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表7-2 巴特沃土元件图第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤

8、波器1.巴特沃士已知带边衰减为3dB处的归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,则图7-2中元件数n由式（7-2）给出,元件值由表7-2给出。sASLnlg2)110lg(1.0第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器2.切比雪夫已知带边衰减与波纹指标LAr、归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,则图7-2中元件数n由式（7-3）给出,元件值由表7-3给出。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表7-3 切比雪夫元件值 表略第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器3.椭圆函数 已知带边衰减与波纹指标LAr、归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截

9、止频率s,阻带波纹与通带波纹相同,则图7-3中元件数n和元件值由表7-4给出。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表7-4 椭圆函数元件数和元件值（波纹0.1 dB）表略第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器4.高斯多项式在现代无线系统中,会遇到保持频带内群延时平坦的场合。也可用图7-2 所示低通原型梯形结构实现这样的功能,但电路元件不对称。表7-5 是这类滤波器低通原型的元件值。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-5等延时低通原型元件值第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器保证频带内群延时平坦的代价是牺牲衰减指标。随频率的提高衰减明显增加,延时不变

10、，如图7-4所示。曲线表明,元件数多比元件数少时指标要好些。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-4 最平坦延时型低通原型特性LA/dBn3n53.01.01.0d/0n3n51.0(a)(b)00第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1.5 滤波器的四种频率变换由低通原型滤波器经过频率变换,就可得到低通、高通、带通、带阻四种实用滤波器。定义阻抗因子为0000YggZg0为电阻 g0为电导 第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器 1.低通变换 低通原型向低通滤波器的变换关系如图7-5（a）所示,变换实例见图7-5（b）。三节巴特沃士原型的c=1,Z0=50,

11、边频fc=2GHz。变换过程为：选择图7-2（b）所示原型,查表7-2 可得,g0=g4=1.0,g1=g3=1.0H,g2=1.0F。已知050,c=2fc,由图7-5（a）中变换关系计算得 L1=L3=3.979 nH,C2=3.183pF。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-5 低通原型向低通滤波器的变换关系gg0cc g0ccg3.979 nH3.979 nH50 3.183 pF(a)50(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器2.高通变换低通原型向高通滤波器的变换关系如图 7-6（a）所示,变换实例见图7-6（b）。三节巴特沃士原型的 c=1,Z0=5

12、0,边频fc=2GHz,计算结果见图7-6(b)。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-6 低通原型向高通滤波器的变换关系gg0cc11gg0cc11.592 pF50 1.989 nH(a)50(b)1.592 pF第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器3.带通变换 低通原型向带通滤波器的变换关系如图 7-7（a）所示,变换实例见图7-7（b）。三节巴特沃士原型的c=1,Z0=50,通带FBW=12 GHz。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-7 低通原型向带通滤波器的变换关系 ggFBWL00csLsCss20s1LC00cpgFBWCp20p1C

13、LLpCpg7.958 nH50 1.592 pF1.989 nH7.958 nH1.592 pF6.366 pF50(a)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器4.带阻变换 低通原型向带阻滤波器的变换关系如图 7-8（a）所示,变换实例见图7-8（b）。三节巴特沃士原型的 c=1,Z0=50,阻带FBW=12GHz。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图7-8 低通原型向带阻滤波器的变换关系ggFBWL00cpLpp20p1LC00csgFBWCs20s1CLLsCsg3.979 nH50 3.183 pF3.979 nH3.183 pF50(a)(b)Cp3.979

14、 nH3.183 pF第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.1.6 滤波器的微波实现四种射频/微波滤波器的实现方式有集总元件L-C型和传输线型。所用微波传输线基本结构有波导、同轴线、带状线和微带等。用这些传输线的电抗元件实现前述变换所得电感、电容值只能是近似的。加工误差、表面处理、材料损耗等因素迫使射频/微波滤波器的研发必须有实验调整。集总参数和微带线结构是下面重点要介绍的内容。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.2 7.2 集总参数滤波器集总参数滤波器7.2.1 集总元件低通滤波器设计一个L-C切比雪夫型低通滤波器,截止频率为75 MHz,衰减为3 dB,波纹为 1

15、dB,频率大于100 MHz,衰减大于20 dB，Z0=50。步骤一:确定指标:特性阻抗Z0=50,截止频率fc=75MHz,阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤二:计算元件级数n,令 ,则n取最接近的整数,则n=5。步骤三: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 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-6原型元件值第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-7实际元件值第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波

16、滤波器步骤五:画出电路,如图7-9所示。仿真特性如图7-10 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-9 低通电路94 pF132 pF94 pF120 nH120 nH50 OH50 OH第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-10 电路仿真结果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 射频射频/微波滤波器微波滤波

17、器7.2.2 集总元件带通滤波器设计一个L-C切比雪夫型带通滤波器,中心频率为75 MHz,3dB带宽为10MHz,波纹为1dB,工作频带外75MHz的衰减大于30dB,Z0=50。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤一:确定指标:特性阻抗 Z0=50 上通带边频 f1=75+5=80 MHz 下通带边频 f2=75-5=70 MHz 上阻带边频 f=75+15=90 MHz 下阻带边频 f=75-15=60MHz 通带内最大衰减 LAr=3dB 阻带最小衰减 LAs=30dB 第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤二：计算相关参数:778.2),(778.21333

18、.311083.742120220112210XXsXLXUsXLXLsMINFBWfffFBWfffMHzffFBWfff第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器 步骤三:计算元件节数n。令 则n取整数3。步骤四:计算原型元件值gi,如表 7-8 所示。ArAsMag1.01.010,110121cosh1coshMagn第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-8 原型元件值第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器 步骤五:画出电路,如图7-11 所示。仿真结果如图7-12 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-11 等效电路图456 pF45

19、6 pF1268 nH50 OH50 OH10 nH10 nH3.6 pF第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-12 仿真结果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 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.3 7.3 各种微带线滤波器各种微带线滤波器 7.3.1 低通滤波器1.切比雪夫低通及相关讨论设计一个三阶微带低通滤波器,截止频率f1=1GHz,通带波纹为0.1dB,阻抗Z0=50。步骤

20、一:三节低通原型元件值为 g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤二:进行低通变换,得到 FZfgCHfZgLL12012291013110652.32102098.82第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤三:微带实现。(1)微带高低阻抗线。高阻抗线近似于电感,低阻抗线近似于电容。微带基板参数为10.8/1.27,波导波长对应截止频率为1.0GHz,取高、低阻抗线的特性阻抗分别为Z0L=93,Z0C=24。微带线的参数见表 7-9。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-9 微带线参数第第7 7

21、章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器高、低阻抗线的物理长度可以由以下公式得到：上式中没有考虑低阻抗线的串联电抗和高阻抗线的并联电纳。考虑这些因素的影响,高、低阻抗线的长度可调整为 mmCZLmmZLlCCgLCLCgLL41.8arcsin204.11arcsin200gCCLgCCCcgCCCgLLLclZlZClZlZL2tan122sin12tan2sin002001第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器解上面的方程,得到lL=9.81mm,lC=7.11mm。图7-13(a)给出了微带结构尺寸,图(b)是分析软件计算的滤波器特性曲线。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波

22、器图 7-13 高、低阻抗线低通滤波器(a)滤波器微带结构;(b)特性曲线12单位：mm9.810.27.114.0(a)0.00.51.01.52.02.53.0S11S21151050IL/dBf/MHz(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器(2)微带枝节线。用高阻抗线实现电感,开路枝节实现电容,有考虑不连续性,应满足 mmCZgCLmmZLgLlCCCLCL41.8arctan204.11arcsin200gLLLgCCCClZlZC2tan122tan100第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器解得lC=6.28mm,考虑开路终端缩短效应(0.5mm),故lC=6

23、.28-0.5=5.78mm。图7-14(a)是枝节线型滤波器微带结构尺寸,图(b)是仿真特性曲线。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器 图 7-14 枝节线低通滤波器(a)滤波器微带结构;(b)特性曲线12单位：mmS11S210.00.51.01.52.02.53.0151050IL/dBf/GHz(a)(b)11.044.05.780.2第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器这两种三节切比雪夫滤波器在阻带远区的特性仿真结果如图7-15 所示。尽管通带内两个结构基本一致,但阻带内阶梯阻抗线特性明显不如开路枝节滤波器。在5.6 GHz时,开路枝节有一个衰减极值,这是因为枝节

24、在该频率相当于四分之一波长,开路变短路,使得信号完全反射了。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-15 两种结构的阻带仿真0123456403020100IL/dBf/MHz开路枝节阶梯阻抗线第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器为了改善阻带特性,提高滚降指标,可用七节实现,原型变换后元件值为 Z0=50,C1=C7=3.7596pF L2=L6=11.322 nH,C3=C5=6.6737pF L4=12.52nH 图7-16（a）、(b)是七节集总元件电路图和微带枝节电路图,图（c）是仿真结果。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-16 七节切比雪夫

25、滤波器L2L4L6C1C3C5C7Z0Z010203040506070800.00.51.01.52.02.53.00IL/dBf/GHzWcWLl1l2l3l4l5l6l7(a)(b)L-C低通 原型设计1设计2(c)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-10 给出了微带枝节设计的两组取值结果。由图7-16可以看出,L-C低通原型的性能最好,设计1性能次之,设计2性能最差。设计1尺寸基本接近集总元件,设计2中高阻线长度在2.86GHz时近似等于二分之一波导波长,发生谐振引起滤波器的寄生通带,降低了阻带指数,这是我们所不希望的。因此,微带滤波器的拓扑结构没有绝对的优劣,设计滤波

26、器时要多方面充分比较各种参数,既要照顾电气指标,还要考虑加工可行性,才能得到一个良好的方案。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表 7-10 微带枝节设计的两组取值 第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器2.椭圆函数滤波器实例图7-17 所示为六节椭圆函数滤波器的原型和微带结构实例尺寸及仿真结果。从概念上理解,仍然是高阻抗线近似于电感,低阻抗线近似于电容。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-17 椭圆函数原型Z0C6L4C4L2C2Z0L1L3L5第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器该原型的元件值和实际值为g0=g7=1.000,gL1=g1=0.

27、8214gL2=g2=0.3892,gL3=g3=1.1880g4=g4=0.7413,gL5=g5=1.1170gC2=g2=1.0840,gC4=g4=0.9077gC6=g6=1.1360 L1=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 射频射频/微波滤波器微波滤波器用微带实现,元件值为 Z0C=14,Z0=50,Z0L=93 WC=8.0 mm,W0=1.1mm,WL=0.2 mm gC(fc)=101 m

28、m,g0=112 mm,gL(fc)=118mmgC(fp1)=83 mm,gL(fp1)=97mm gC(fp2)=66mm,gL(fp2)=77mm第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器 图 7-18 是最后的微带结构和特性曲线。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-18 微带椭圆函数低通滤波器单位：mm1.14.3911.620.26.493.708.05.072.988.5913.0160504030201000.00.51.0 1.52.53.02.0S21S11(a)(b)IL/dBf/GHz第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.3.2 带通滤波

29、器1.端耦合微带谐振器滤波器 如图7-19 所示,每一段线就是一个半波长谐振器,亦即构成滤波器基本元件,间隙是耦合电容,相当于变换器。变换器的作用使得谐振单元可以看作串联也可看作并联,这由变换器的结构参数决定。因此,这个结构能实现带通滤波器。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-19 端耦合谐振单元带通滤波器Y01Y0Y12YnnY0B0,1B1,2Bn1,nBn,n1S0,1l1S1,2l2Sn1,nlnSn,n1Y01Y0B0,1S0,1l1第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器设计实例：设计三节切比雪夫带通滤波器。设计指标为f0=6 GHz,FBW=2.8,波纹为

30、0.1dB。步 骤 一：查 表 得 三 节 原 型 参 数 为 g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。步骤二：做变换,求得谐振线长度和间隙电容为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 C1.2g=C2.3g=0.021483pF2121第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤三:微波实现,介质参数为10.8/1.27,考虑边沿效应修正后,得 l1=l3=2.8976-0.0

31、269-0.2505=8.148 mml2=3.0608-0.2505-0.2505=8.399mmS0,1=S3,4=0.057mmS1,2=S2,3=0.801mm步骤四:用软件仿真,微带结构尺寸和仿真结果如图7-20 所示。227.18227.18第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-20 三节端耦合微带带通滤波器单位：mm0.0578.1480.8018.3991.1(a)5.65.86.06.26.4S21S1150403020100f/GHzIL/dB(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器2.平行耦合线器滤波器 如图7-21 所示,每一段线就是一个半波

32、长谐振（相当于滤波器元件值），平行的间隙是耦合元件（相当于变换器）,耦合间隙在谐振线边缘可以实现宽频带耦合。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-21 平行耦合谐振单元带通滤波器Y0W1W1W2W2WnWnWn1Wn1Y0s1s2snsn1l1l2lnln1第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器设计实例:设计五节切比雪夫带通滤波器。设计指标为f0=10 GHz,FBW=15,波纹为0.1 dB。步骤一:查表得五节低通原型参数为g0=g6=1.0,g1=g5=1.1468g2=g4=1.3712，g3=1.9750 步骤二:做变换,求得谐振线元件值如表7-11 所示。第第

33、7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表7-11 元件值 第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤三:微波实现,介质参数为10.2/0.635,考虑边沿效应修正后,结果如表7-12 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器表7-12微带尺寸 第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器步骤四:用软件仿真,微带结构尺寸和仿真结果如图7-22 所示,这种滤波器的通带较宽。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-22平行耦合谐振单元带通滤波器0.592.8522.7722.7560.3850.5750.595单位：mm0.1610.5400.73089101

34、112806040200f/GHzS21S11IL/dB(a)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器3.发卡式滤波器将平行耦合线的半波长谐振线对折,可以减小体积,如图7-23 所示。设计中,要考虑对谐振线折后的间隙耦合,在长度和间隙上做适当修正。发卡式滤波器结构紧凑,指标良好,在射频、滤波工程中最多。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-23 发卡式带通滤波器单位：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

35、7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器设计实例:设计五节切比雪夫带通滤波器。设计指标为f0=2GHz,FBW=20,波纹为0.1 dB,介质参数为10.2/1.27。用软件仿真,微带结构尺寸和仿真结果如图7-23 所示,这种滤波器的通带较宽。4.交指线滤波器和梳状线滤波器上述滤波器的谐振单元都是半波长谐振器,如果改为四分之一波长谐振器也完全可行。四分之一波长谐振器的结构特点是一端短路,另一端开路,在同轴和带状线较易实现,微带结构需要通过金属化孔接地。这类谐振器构成滤波器的最大好处是尺寸可缩短接近一半。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器如果各个谐振单元的开路端和短路端交叉布局,则为交

36、指线滤波器,如图7-24 所示。如果开路端在一边,短路端在一边,则为梳状线滤波器,如图7-25 所示。这两种滤波器还有另外几种变形。最常用的变形形式是在开路端加集总参数电容器,进一步缩小尺寸,便于调试或构成可调谐滤波器。这个集总电容的实现方式也是多种多样的，如固定、空气可调、同轴可调,变容二极管等,应根据任务情况选择使用。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器1)交指滤波器实例设计五节切比雪夫带通滤波器。设计指标为f0=2 GHz,FBW=50,波纹为0.1 dB，介质参数为6.15/1.27。用软件仿真,微带结构尺寸和仿真结果如图7-24所示,这种滤波器通带更宽。第第7 7章章 射频

37、射频/微波滤波器微波滤波器图 7-24 交指滤波器S21S110.51.01.52.02.53.03.56050403020100f/GHzIL/dB20 mm30 mm接地孔输入端(a)(b)输出端第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器2)梳状滤波器实例设计五节切比雪夫带通滤波器。设计指标为f0=2 GHz,FBW=10,波纹为 0.1dB，介质参数为10.8/1.27。用软件仿真,微带结构尺寸和仿真结果如图 7-25 所示。交指线滤波器和梳状滤波器的输入输出耦合常使用抽头耦合,就是在两端的谐振线上引出微带线。引线的位置决定端耦合系数,谐振线长度的中间耦合最强,向短路端移逐渐减弱。第

38、第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-25 梳状滤波器8070605040302010023456f/GHzIL/dB13.60.350.561.642.420.3单位：mm0.81.1接地孔(a)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.3.3 高通滤波器由7.1.4 节知低通原型向带通的变换规则为：串联电感变成串联电容,并联电容变成并联电感。设计实例一：半集总参数微带设计三节切比雪夫高通滤波器。设计指标为fc=1.5 GHz,波纹为0.1dB,介质参数为2.2/1.57,阻抗为50。用软件仿真,微带尺寸和仿真结果如图 7-26 所示。第第7 7章章 射频射频/微

39、波滤波器微波滤波器图 7-26 高通实例一S21S110.00.51.01.52.52.03.03.5806040200f/GHzIL/dB(b)(a)接地孔单位：mm2510.02.00.20.20.34.99.930第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器设计实例二：短路枝节设计六节切比雪夫高通滤波器。设计指标为fc=1.5 GHz,波纹为0.1dB,介质参数为2.2/1.57,阻抗为50。用软件仿真,微带尺寸和仿真结果如图7-27 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-27 高通实例二605040302010001234567f/GHzIL/dBS21S11(

40、a)(b)单位：mm4.913.90.92.02.83013.513.2接地孔15023.823.022.7第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器比较两种方法,实例二指标好,加工容易。7.3.4 带阻滤波器由7.1.4节知低通原型向带通的变换规则为：串联电感变成并联谐振器,并联电容变成串联谐振器。与带通滤波器类似,用谐振单元实现滤波器基本元件,合理地连接这些单元是带阻滤波器的关键。下面实例给出几个电路结构,并不拘泥于设计计算细节。设计实例一：半波长微带线带阻滤波器第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图7-28 给出了两种结构,图（a）为电耦合半波长谐振器,图（b）为磁耦合半波

41、长谐振器。谐振时相当于信号对地短路,反射回信号源,没有信号通过。这种带阻是窄带的。设计五节切比雪夫带阻滤波器。设计指标为f=3.3985GHz,FBW=5.88%（即3.33 GHz）,波纹为0.1dB,基板参数为10.08/1.27,特性阻抗为50。查低通原型五节元件值,求变换后元件值,考虑微带修正,进行微波实现,画图并仿真,最后得微带电路尺寸和仿真结果如图 7-29 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-28 半波长谐振带阻滤波器4g4g2g(a)4g4g(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-29 L型带阻滤波器S1S2l1vl1hl2hl3hl

42、4hl5hl3vl5vS3l2vS4S5l4vW16151413121110980.100.150.200.250.30 x/Z0s/mmf03 dB|S21|3dB(a)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器设计实例二：枝节线带阻滤波器设计三节切比雪夫带阻滤波器。设计指标为f0=2.5GHz,FBW10%（即 1.253.75 GHz），波纹为0.05dB,基板参数为6.15/1.27,阻抗为50。查低通原型三节元件值,求变换后元件值,考虑微带修正,进行微波实现,画图并仿真,最后得微带电路尺寸和仿真结果如图7-30 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-3

43、0 开路枝节带阻滤波器单位：mm14.41.713.24.2514.80.51.854530S21S11654321050403020100f/GHzIL/dB(a)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器设计实例三：直流偏置线微波电子电路中的直流偏置引线要对微波信号通路没有影响,常用的方法是使用低通滤波器或带阻滤波器。带阻滤波器用于频率成份较多的电路中,效果良好。用于偏置电路的带阻滤波器形式多样,使用时要考虑电路的整个布局,选择恰当带阻偏置线的结构。设计三节切比雪夫带阻滤波器直流偏置线。设计指标为阻带频率为3.55.5 GHz,介质基板参数为10.8/1.27,阻抗为50。用软件

44、仿真,最后得微带电路尺寸和仿真结果如图 7-31 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-31直流偏置带阻滤波器P-3(DC偏置)单位：mmB6.56.5P-2(RF输出)0.3wi0.31.1P-1(RF 输入)90S11S21S313.03.54.04.55.05.56.050403020100IL/dBf/GHz(a)(b)Ar5.0第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.4 7.4 微带线滤波器新技术微带线滤波器新技术7.4.1 交叉耦合技术交叉耦合是在不相邻的谐振单元间增加耦合,使滤波器特性的特殊频率出现零极点。对称单极点交叉耦合滤波器的设计过程与前述相

45、同。只是低通原型的的传输函数不同,可以理解为介于切比雪夫和椭圆函数之间。图7-32是这种滤波器的典型特性,并与切比雪夫带通做比较。可以想象,交叉耦合只能在部分谐振器间实现,如图7-33 所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-32 对称单极点交叉耦合滤波器特性210126050403020100归化频率S21/dB切比雪夫a1.6a1.2n6第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-33 交叉耦合低通原型 J1J1J1J1JmJm1g01g1gm1gmgmgm1g1g01第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器下面给出几种微带交叉耦合滤波器的拓扑结构及特性

46、,供设计选用,详细设计过程请参阅有关专著。半波长开路环谐振器四个边便于耦合,使用最多。图 7-34 为交叉耦合微带线滤波器实例,图(a)是八节对称单极点滤波器,图(b)和图(c)是八节对称双极点滤波器的原理和实例,图(d)是三节单极点滤波器。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-34 半波长谐振环交叉耦合滤波器(a)八节对称极点(介质参数10.8/1.27,环16mm16mm;(b)八节对称双极点；(a)(b)600800100012001400f/MHzS21/dB67584132f/MHz020406080100100806040200750800850900950 S21

47、(切比雪夫)S11S21IL/dB第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-34 半波长谐振环交叉耦合滤波器(c)八节对称双极点实例(介质参数10.8/1.27）;(a)(b)抽头耦合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单位：mm第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器 图 7-34 半波长谐振环交叉耦合滤波器(d)三节单极点滤波器(介质参数10.8/1.27)单位：mm1.41.223.012.0

48、1.117.44.61.012.01.850403020100dBf/MHzS11S210.5102.00.4251.80.41.0单位：mm25101.4700 750 800850 900 9501000 1050 1100dBS11S21110010501000950900850800750700f/MHz5040302010060(d)0.71.4第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.4.2 滤波器的小型化小型化的方法有:梯形线、交指线变形,谐振器变形,双模谐振器,多层微带板,微带慢波结构,集总参数元件,高介电常数基板等。下面给出几个实例。图7-35是梯形线滤波器,图7-3

49、6是交指线的变形。图7-37是双模谐振器,可以使谐振单元尺寸减小。图7-38是微带线慢波结构。微带电路也可做成多层印制板,谐振器置于背靠背的两个微带表面,夹层为公共地,地板有耦合孔,是电耦合还是磁耦合与孔开的位置有关。两层板可缩短一半长度,如图7-39所示。第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-35 梯形线原理及三节梯形线滤波器01020304050602.53.03.54.04.5S11S21磁电rWfhWSfIf地UU2L2LC/2C/2f/GHz dB(a)(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-36 交指线的变形L26.5 mmwgsssww17.6

50、 mm(a)0.91.01.11.21.350403020100IL/dB(b)f/GHzS11S21第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-37 谐振器的小型化（双模谐振器）Dg0/Dg0/4Dg0/4(f)(g)(h)(a)(b)(c)D1.84g0/Dg0/2(d)(e)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-38 慢波结构及慢波滤波器 1.36003.10f/GHzIL/dB第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器图 7-39 双层微带滤波器hdxdygwa(a)dxhawgdy(b)第第7 7章章 射频射频/微波滤波器微波滤波器7.4.3 新材料的应