微波滤波器

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1. 滤波器简介
2.滤波器的典型结构
2.1 低通滤波器(Low Pass Filter)
摘要：本文介绍了广播电视发射系统中常用的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器的基本原理、典型结构及性能指标。

Abstract: Basic theory and typical structures of low pass filter, high pass filter,band pass filter and band stop filter are presented in this paper, the main specifications of these filters are introduced.
射频滤波器是用来分离不同频率射频信号的一种器件。

它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，而只让需要的信号通过。

在广播电视发射天馈线系统中，滤波器是必不可少的设备。

为了对发射机产生的带外信号进行抑制，规范输出信号的频谱，一般在发射机的输出端和天线之间加接输出滤波器。

滤波器还是构成多工器必不可少的设备。

滤波器按频率的通带范围可分为低通、高通、带通和带阻四个类型。

这四种滤波器在广播电视发射系统中都有应用，其中以带通滤波器的应用最为广泛。

滤波器设计的基本思路是根据滤波器的指标要求（如中心频率、通带带宽、通带损耗、阻带衰减以及输入输出阻抗等），选定低通原型滤波器（常用的包括巴特沃斯函数、切比雪夫函数和椭圆函数等）及谐振腔的数目；然后通过频率变换得到所需滤波器的理论模型；最后通过实际结构或电路来实现滤波器。

调频和电视的发射频率为50MHz—862MHz，即VHF和UHF波段，如果在这么高的频率上用集中参数元件实现滤波功能，那么器件的损耗很大，功率容量受到限制，而且性能不稳定。

因此，一般情况下，高频率范围内的滤波器都是用分布电感和分布电容来实现的。

同轴传输线和波导是两种最常用的微波滤波器实现结构。

低通滤波器的典型结构是高、低阻抗传输线交替级联组成的糖葫芦式滤波器。

它用高阻抗线来等效串联电感，用低阻抗线来等效并联电容，通过调整高低阻抗值及其长度可以制造出结构简单性能优良的低通滤波器。

图1是一个典型的低通滤波器的内部结构，图2是该结构的等效电路，图3为该结构的仿真结果。

隋强Qiang Sui /金梅珍Meizhen Jin
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图1 九阶低通滤波器内部结构
图2 九阶低通滤波器等效电路
图3 九阶低通滤波器仿真结果
2.2 高通滤波器
(High Pass Filter)
高通滤波器的结构通常用同轴短截线来实现并联电感，用垫有聚四氟乙稀的内导体圆盘实现串联电容，从而构成梯形高通滤波器。

图4为高通滤波器的内部结构，图5为该结构的等效电路，图6为其仿真结果。

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图4 九阶高通滤波器内部结构
图5 九阶高通滤波器等效电路
图6 九阶高通滤波器仿真结果
2.3 带通滤波器(Bandpass Filter)
带通滤波器是应用最为广泛的滤波器，根据通带的相对带宽分为窄带带通和宽带带通两种，一般相对带宽小于20%称为窄带带通滤波器，相对带宽大于40%称为宽带带通滤波器。

就广播电视而言最常用的是窄带带通滤波器，比如频道滤波器，窄带带通滤波器的典型结构是级联式的耦合谐振腔结构。

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波导腔主要用于UHF高端、L波段等微波波段，主要有矩形波导腔和圆柱波导腔两大类，矩形波导腔就是 的一个封闭长方体金属盒(图8)，其谐振频率由腔内电磁场的模式及腔体的物理尺寸所决定。

圆柱波导腔是半径为a、高度为 的封闭圆柱金属圆筒(图9)，它的谐振频率也是由腔内电磁场的模式及腔体的物理尺寸所决定。

将谐振频率相同的多个谐振腔通过一定的耦合方式级联起来就构成了传统的窄带带通滤波器。

通过调整输入输出端及各谐振腔间的耦合量就可以使带通滤波器的性能满足要求。

常用的耦合方式主要有环耦合(磁耦合)、探针耦合(电耦合)和缝耦合(电耦合或磁耦合)，耦合量的大小分别取决于耦合环的位置、方向、大小，探针的位置、粗细、深度及耦合缝的位置、形状、大小等参量。

传统意义的级联式耦合带通滤波器的基本原理如图10所示。

图8 矩形波导谐振腔图9 圆柱波导谐振腔
图7 同轴谐振腔谐振腔是带通滤波器最关键的部分。

在一定体积内能限定电磁能量，其中激励起微波电磁振荡的结构，称为微波谐振腔（microwave resonator cavity）。

谐振腔的好坏直接决定了滤波器性能的好坏。

谐振腔最主要指标有谐振频率和品质因数，谐振频率就是谐振回路中电磁能量的转换频率，其大小与回路的形状及电磁场的模式有关；品质因数(Q值)与谐振回路的损耗直接相关，是指谐振时系统中存储的电能或磁能与一周期内系统损耗的能量之比的2π倍。

谐振腔的Q值越高说明其谐振响应曲线越尖锐。

谐振腔的Q值与谐振腔的体积、电磁场的模式及腔体所用材料有关。

一般来说，同轴短路或开路谐振腔的典型无载Q值约为几千，波导谐振腔的Q值要明显高于同轴谐振腔的Q值，圆波导腔的Q值高于矩形波导腔的Q值，矩形波导腔的典型无载Q值一般介于10000－20000，圆波导腔的典型无载Q值一般介于20000－40000。

同轴谐振腔主要用于VHF，FM，UHF频段，最常用的同轴谐振腔是一端短路一端加载的同轴腔，其基本结构如图7所示。

图中的外导体可以是长方体也可以是圆柱体，内导体一般都用圆柱体。

腔的谐振频率取决于同轴线的特性阻抗、内导体长度及外导体长度，其功率容量取决于腔体的大小。

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图10 级联式耦合带通滤波器原理
图11 六腔带通滤波器仿真结果
图12 带一个交叉耦合的六腔级联式带通滤波器
级联式耦合带通滤波器的优点是技术比较成熟，调试比较简单，对腔体排列方式基本没有要求，带外的衰减曲线没有波纹起伏。

图11为六腔级联式带通滤波器的仿真曲线。

近几年发展起来的交叉耦合技术可以在不增加滤波器腔体数量的前提下提高滤波器上下边带的陡度。

这种技术的基本原理是在滤波器的不相邻的谐振腔体之间引入一定量的耦合，理论上，这种滤波器属于椭圆函数滤波器。

带交叉耦合的级联式带通滤波器的基本原理及仿真曲线如图12和图13所示。

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图13 六腔带交叉耦合带通滤波器仿真结果
2.4 带阻滤波器(Band Stop Filter)
图14 九阶带阻滤波器结构
从图11和图13的比较可以看出引入一个交叉耦合可以使带通滤波器的上下沿的陡度有明显改善，同时带外有波纹起伏，通过调整交叉耦合量的大小可以改变上下沿的陡度和带外波纹起伏的大小。

如果需要还可以加两个交叉耦合甚至三个交叉耦合来提高带通滤波器上下沿的陡度。

在广播电视发射系统中，有时用带阻滤波器对某些特殊频率进行衰减。

常用的带阻滤波器是用电容耦合短截线谐振器构成，短截线在阻带中心频率上近似是1/4波长，两谐振器间的间隔也近似是1/4波长。

图14为带阻滤波器的结构示意图，图15为其仿真结果。

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图15 九阶带阻滤波器仿真结果
3. 结论
本文介绍了四种常用的滤波器的基本结构、原理及特性曲线。

除了滤波器的插入损耗、端口驻波比等基本指标外，滤波器的功率容量(温升)、频率稳定性、重量、价格等都是选用滤波器时要认真考虑的问题。

在综合考虑这些问题的时候要分清主要矛盾和次要矛盾，具体问题具体分析，确定最佳方案。

18隋 强
1966年1月出生于山东文登，分别于1988年和1991年于北京广播学院(现更名为中国传媒大学)获
得工学学士和硕士学位，2005年于中国科学院电子学研究所获得博士学位。

1991年硕士毕业后留
校从事教学和科研工作，主要研究方向是广播电视天馈线系统及大功率无源器件的开发，先后主
持参与省部级科研项目十余项。

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金梅珍
1982年6月出生于浙江金华，分别于2004年和2006年在中国传媒大学获得工学学士和硕士学位。

毕
业后留校，从事微波无源器件的研究工作。