滤波器详细分类课件.ppt
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1、微波滤波器基础知识微波滤波器基础知识微波及其特点微波及其特点所谓微波是一种具有极高频率(通常为300MHz-300GHz),波长很短,通常为1m-1mm的电磁波。微波具有似光性和似声性、穿透性、信息容量大等特点。0光速波长=频率f3电磁波波段代号波段代号波段代号波段代号频率范围频率范围/GHZ/GHZ频率范围频率范围/GHZ/GHZUHF 0.31 K 1827 L 12 Ka 2740 S 24 U 4060 C 48 V 6080 X 812 W 80 100 Ku 1218微微波波波波段段的的划划分分300M300MHzHz3000G3000GHzHz可可见见光光1m1m电磁波谱电磁波谱
2、0.1mm0.1mm频率频率波长波长3G3GHzHz30G30GHzHz300G300GHzHz10cm10cm1cm1cm1mm1mm普通无线电波普通无线电波红外线红外线紫外线紫外线亚毫米亚毫米微微 波波 分米分米厘米厘米毫米毫米中波中波短波短波 超短波超短波长波长波滤波器的基本原理滤波器的基本原理 滤波器定义滤波器定义 顾名思义就是对电磁波信号进行过滤,让需要的信号通顾名思义就是对电磁波信号进行过滤,让需要的信号通过,抑制不需要的信号,主要目的为了解决不同频段、不过,抑制不需要的信号,主要目的为了解决不同频段、不同形式的无线通讯系统之间的干扰问题,其特性可以用通同形式的无线通讯系统之间的干
3、扰问题,其特性可以用通带工作频段、插入损耗、带内波动、带外抑制、端口驻波带工作频段、插入损耗、带内波动、带外抑制、端口驻波比、隔离度、矩形系数、功率容量、群时延指标来描述。比、隔离度、矩形系数、功率容量、群时延指标来描述。滤波器的滤波器的基本基本形式形式 低通滤波低通滤波原型原型低通滤波器电路原型低通滤波器电路原型 低通原型滤波器的理想化衰减一频率特性如图1所示。纵坐标代表衰减量,横坐标代表频率。当田w小于w1,时,信号的衰减量近似等于零,称之为通带;当ww1,时,信号的衰减量近似为无穷大,称之为阻带,其中w1称为“截止频率”。实际上,滤波器根据其所逼近的函数不同分为:最平坦低通滤波器(巴特沃
4、兹滤波器)、切比雪夫低通滤波器、椭圆函数低通滤波器。低通原型滤波器的衰减一频率特性;(a)巴特沃斯响应;(b)切比雪夫响应(c)椭圆函数低通原型 (a)(b)(c)(1)巴特沃斯低通滤波器:如图(a)所示,通带内衰减曲线内十分平坦,被称为“最平坦响应”又被称做“巴特沃斯(Butterworth)响应”。其逼近函数为:(2)切比雪夫低通滤波器如图(b)所示,通带内的衰减曲线幅度相等,而且具有规律性的起伏、变化,于是被叫做“等波纹响应”,又被称为“切比雪夫(Tchebyscheff)响应”。其逼近函数:其中(3)椭圆函数低通滤波器其原型滤波器又被叫做考尔(Cauer)滤波器,它的通带和阻带都具有切
5、比雪夫的波纹特性。其低通原型的逼近函数为:其中滤波器频率变换(1)低通到高通的变换如图2.4所示,分别给出了低通原型滤波器和高通滤波器的频率一衰减曲线,令它们的频率分量分别为w和w。通过相应的频率变换准则,可将低通原型滤波器转换成高通滤波器,即将低通原型的通带和阻带分别变换成高通滤波器的阻带和通带。直观地说就是将图2.4中的频率一衰减曲线中的w=0和w=无穷大的点分别变换成w=无穷大。和w=o的点,其频率变换的数学表达式为:低通原型和高通滤波器中的电感、电容变换公式为:(2)低通到带通同理,其频率变换数学表达式为:低通原型滤波器和带通滤波器的电感、电容变换公式分别为:(3)低通到带阻的频率变换
6、低通到带阻的频率变换表达式:低通原型与带阻滤波器电感、电容之间的变换关系:带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 通带工作频段通带工作频段指滤波器允许通过电磁波的频率范围。通带的理解在生产过程提供的技术指标规定严格了的,不需要怎样的去按照上面的定义去具体计算。也可以这样说,如果我们的差损要求是0.8db,通带需要10M的带宽,那么我们的通带就可以说成是0.8db带宽为10M.带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 插入损耗插入损耗 又称衰减又称衰减,在理想情况下,插入到射频电路中的理想滤波在理想情况下,插入到射频电路中的理想滤波器,不应在其通带内引入任何功率损耗器,不应在其通带内引入任何功率损耗.
7、然而现实中我们然而现实中我们无法消除滤波器固有的,某种程度的功率损耗。插入损无法消除滤波器固有的,某种程度的功率损耗。插入损耗定量的描述了功率响应幅度与耗定量的描述了功率响应幅度与0dB0dB基准的插值基准的插值,其数学其数学表达式为表达式为:其中其中PL PL 是滤波器向负载输出的功率,是滤波器向负载输出的功率,Pin Pin 是滤波器从信是滤波器从信号源得到的输入功率,一般希望插入损耗越小越好。号源得到的输入功率,一般希望插入损耗越小越好。带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 带内波动带内波动 在规定的带宽内,插入损耗最大点减去最小点的即为带内波动。又叫带内波纹或者通带波纹。指通带内信号幅
8、度的起伏程度,也受限于谐振器的固有Q值,一般希望尽可能的小。带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 带外抑制带外抑制 又称阻带抑制又称阻带抑制,理想的滤波器是矩形的,通带内的信号全理想的滤波器是矩形的,通带内的信号全部通过,通道外的信号全部过滤掉。部通过,通道外的信号全部过滤掉。实际情况是,只能过滤掉一部分能量,带外抑制度反应了实际情况是,只能过滤掉一部分能量,带外抑制度反应了对过滤信号的衰减幅度,对不需要的频率点,信号的抑制对过滤信号的衰减幅度,对不需要的频率点,信号的抑制能力,一般希望尽可能的大,并在通带范围外陡峭的下降,能力,一般希望尽可能的大,并在通带范围外陡峭的下降,通常取带外与带宽为
9、一定比值的某一频率的衰减值作为此通常取带外与带宽为一定比值的某一频率的衰减值作为此项指标。项指标。带外抑制这个概念实际上还是属于损耗的范畴,只是我们带外抑制这个概念实际上还是属于损耗的范畴,只是我们现在所说指的是在通带外,信号的衰减已经被抑制得比较现在所说指的是在通带外,信号的衰减已经被抑制得比较充分,这个具体的损耗值就是带外抑制的值。充分,这个具体的损耗值就是带外抑制的值。带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 端口驻波比端口驻波比 端口驻波是衡量滤波器性能的一个关键指标,反应滤波器端口驻波是衡量滤波器性能的一个关键指标,反应滤波器件与系统中其它部件的匹配程度。件与系统中其它部件的匹配程度。当
10、系统不匹配时当系统不匹配时,馈线上同时存在入射波馈线上同时存在入射波EiEi和反射波和反射波ErEr。在入射波和反射波相位相同的地方,入射波电压与反射波在入射波和反射波相位相同的地方,入射波电压与反射波电压的幅度相加形成一个最大电压振幅电压的幅度相加形成一个最大电压振幅EmaxEmax,称为波腹;,称为波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压幅度相减形成一而在入射波和反射波相位相反的地方电压幅度相减形成一个最小电压振幅个最小电压振幅EminEmin,称为波节。,称为波节。其它各点电压的幅度值则介于波腹与波节之间,这种合成其它各点电压的幅度值则介于波腹与波节之间,这种合成波称为驻波。波称为驻波
11、。带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 电压驻波比则是波腹电压与波节电压的比值,即电压驻波比则是波腹电压与波节电压的比值,即 Ei Ei 为入射波电压为入射波电压,Er,Er为反射波电压为反射波电压,当当ZLZL和和Z0Z0都为实数时都为实数时iiEmax|E|+|Er|VSWR=Emin|E|Er|iLi0Emax|E|+|Er|ZVSWR=Emin|E|Er|Z带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 驻波比的另一个含义相同的名称是回波损耗,单驻波比的另一个含义相同的名称是回波损耗,单位为分贝(位为分贝(dBdB),二者可如下换算:),二者可如下换算:带通滤
12、波器技术指标带通滤波器技术指标 隔离度隔离度为了区分在有两个或者两个以上通带情况下(例为了区分在有两个或者两个以上通带情况下(例如双工器,合路器)相互通带之间的带外抑制,如双工器,合路器)相互通带之间的带外抑制,这时我们统一称带外抑制为隔离。这时我们统一称带外抑制为隔离。以双工器为例说明:收发隔离是指在网络分析仪以双工器为例说明:收发隔离是指在网络分析仪的两个通道分别接的两个通道分别接rxrx与与txtx端,而端,而ATNATN端接端接5050欧姆负欧姆负载时,整个频段(载时,整个频段(TXTX的高端点与的高端点与RXRX的低端点之间的低端点之间的带宽)或者两个通带内(的带宽)或者两个通带内(
13、RXRX频带内和频带内和TXTX频带内)频带内)s12s12或者或者s21s21的值。的值。带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标矩形系数矩形系数矩形系数是矩形系数是60dB60dB带宽带宽3dB3dB带宽的比值带宽的比值,它描述了滤它描述了滤波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度:60dBU60dB-L60dB3dBU3dB-L3dBBWffBWffSF带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 功率容量功率容量 滤波器能承受的最大信号通过功率,滤波器的脉冲功率容滤波器能承受的最大信号通过功率,滤波器的脉冲功率容量由其中强电场对介质的击穿来确定,这与滤波器的
14、结构量由其中强电场对介质的击穿来确定,这与滤波器的结构和介质强度有关。通常同轴线和带状线结构的功率容量至和介质强度有关。通常同轴线和带状线结构的功率容量至少要比矩形波导小少要比矩形波导小6 6、7 7倍,而矩形波导又比圆波导小倍,而矩形波导又比圆波导小4 4倍倍左右左右.带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 群时延群时延 信号通过滤波器时的延迟时间,可用以下公式表示:信号通过滤波器时的延迟时间,可用以下公式表示:其中其中为滤波器电压转移函数为滤波器电压转移函数Ea/EL Ea/EL 的相位,对于的相位,对于N N个谐个谐振器的带通滤波器,通带内的群时延可近似估计为:振器的带通滤波器,通带内的群
15、时延可近似估计为:ddtddntBW滤波器的分类滤波器的分类 微波滤波器的分类方法很多,根据通频带的不同,微微波滤波器的分类方法很多,根据通频带的不同,微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器;按滤波器波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器;按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型;根据工的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型;根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器;按滤波器的传输线作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器;按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔
16、滤波器、陶瓷介质滤波器、滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(SIR(阶跃阻抗谐振器阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。这里按照滤波器、高温超导材料等。这里按照传输线的分类来对各种微波滤波器的主要特性进行详尽的分传输线的分类来对各种微波滤波器的主要特性进行详尽的分析析。(一)微带滤波器(一)微带滤波器主要性能指标:主要性能指标:频率范围:频率范围:500MHz500MHz6GHz6GHz带宽:带宽:10%10%30%30%插入损耗:插入损耗:5dB(5dB(随带宽不同而不同随带宽不同而不同)输入输出形式:输入输出形式:SMASMA、N N、L16L16等等输入输出驻
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