滤波器及合路器的基础原理

2. L同谐振杆的尺寸密切相关。谐振杆越长越细，L越 大，频率越低；谐振杆越短越粗，L越小，频率越高 3. C可用谐振杆与盖板的间隙大小和谐振杆的法兰盘大 小来反映。法兰盘越大间隙越小则C越大，频率越低； 反之则C越小，频率越高
Q值同单腔的体积和表面积有关 体积越大则单腔储存的电磁能越大，表 面积越小则单腔的损耗就越小，Q值就 越大，反之Q越小。
带外抑制

滤波器的带外抑制是指对通带外信号的 抑制能力，一般希望尽可能大，并在通 带范围外陡峭地下降。通常取通带外某 一频率的衰减值作为此项指标。
功率容量

滤波器的额定功率是指按规定的条件在 规定的时间周期内可连续地加到合路器 上而不致降低其性能的最大连续射频功 率。
滤波器的一般设计过程
根据需要的技术指标选择滤波器的类型以及低通原 型
电压驻波比

在给定端接匹配负载的情况下，由于端 口反射所形成的驻波的峰值和谷值的电 压比值，这里涉及到一个匹配的问题， 见下图电路，根据电路知识，当负载与 电源内阻相等时，负载上的功率最大。
电压驻波比

简单地说，馈线终端所接负载阻抗ＺL 等于 馈线特性阻抗Ｚ0 时，称为馈线终端是匹配 连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负 载的入射波，而没有由终端负载产生的反射 波，因此，当滤波器作为终端负载时，匹配 能保证滤波器取得全部信号功率。
滤波器的分类

分类方法很多，从实现形式上可以分为 集总电路滤波器，微带滤波器，腔体滤 波器等。其中集总电路是最基础的，下 图就是一个用RLC元件构成的滤波器。
滤波器的分类

下图是微带滤波器，此种滤波器最大的 优点在于体积小，重量轻，成本低，但 是功率容量小，Q值较低，损耗较大。
微带滤波器
滤波器的分类
滤波器的分类

从结构角度可分为 交趾滤波器，梳状 滤波器等类型，图 片就是两个腔体交 趾滤波器的实物图
滤波器的分类

图片是两个腔体梳 状滤波器的实物图， 这种类型的滤波器 适合实现窄带滤波 器
滤波器的分类


按照采用的低通原型 角度可分为最大平坦 滤波器，切比雪夫滤 波器，椭圆型滤波器 等类型，以低通滤波 器为例，右图为最大 平坦型滤波器。 此类滤波器带内波动 以及插入损耗指标很 好，但是带外陡峭度 不足。
电压驻波比
而当滤波器和馈线不匹配时，也就是滤波器阻抗不等于 馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高 频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反 射回去形成反射波。 例如，在右图中，由于滤波器与馈线的阻抗不同，一个 为75欧姆，一个为50欧姆，阻抗不匹配，其结果是

电压驻波比DHL－来自型合路器直观印象采用DHL－I型合路器的必要性

随着GSM-R 在全路范围的建设，为了满足不同业 务的需要，越来越多的通信设备用于机车上。每 项业务的满足都需要相应的通信设备，而每个通 信设备都要有自己的一套天馈系统。这么多通信 设备势必造成机车顶上安装有多付天线。机车顶 部的安装位臵紧张，使各天线间不能保证有足够 的空间隔离度。天线间因为隔离度不够会造成天 线之间存在干扰，可能造成通信设备不能正常工 作，严重影响列车无线通信的质量甚至给行车安 全带来隐患。工艺所研制的多频段天线可以很好 的解决天线过多的问题，使原有的过多的天馈系 统进行整合，而合路器也是为了配合天线的使用 而进行研发的，将不同设备的不同频段的信号合 成为一个信号通过天线收发。
滤波器的分类
右图为切比雪夫型 滤波器。 此类滤波器通带内 又等幅波纹，带内 波动不如最大平坦 型，但带外陡峭度 较好。

滤波器的分类
右图为椭圆函数滤 波器。 此类滤波器通带和 阻带都具有波纹， 带外陡峭度比前两 种都要好，但是实 现较为复杂。

滤波器的关键技术指标
工作频率以及中心频率f0 带宽以及相对带宽 插入损耗 带外陡峭度 带内波动 电压驻波比 带外抑制
列车车载电台天线共用设备组成示意图
DHL－I型合路器各频段功能介绍
450MHz 频段列车无线调度通信业务； 450MHz 列尾装臵数据传输业务； 800MHz 列尾和列车安全预警业务； 800MHz 频段机车同步控制数据传输业务； GSM－R 话音业务； GSM－R 通用分组数据业务； 列车控制系统（CTCS）数据传输业务； 机车同步控制系统GSM－R 电路数据业务； 2.4GHz 宽带无线数据传输业务。

DHL－I型合路器尺寸
外壳长482mm，宽384mm，高66mm 内部尺寸长356mm，174mm，高52mm

DHL－I型合路器技术指标

工作频率范围 450MHz频段：457.00～469.00MHz； 800MHz频段：821.00～867.00MHz； GSM-R频段：885.00～934.00MHz； 2.4G频段： 2400.00～2483.50MHz
DHL－I型合路器技术指标




插入损耗：不大于1.2dB 带内波动：不大于1.0dB 电压驻波比：不大于1.5 端口隔离度：不小于75dB 三阶互调：不大于-140dBc（双音43dBm/tone） 额定功率：50W 带外抑制
1.谐振频率同波长成反比。频率越高单腔尺寸越小，
频 率越低单腔尺寸越大

滤波器通带的宽度，一般我们定义为上 边频与下边频之差。相对带宽是指带宽 W与中心频率 f0比值
插入损耗
即有用信号通过能力，由合路器残存的 反射及合路器元件的损耗所引起，也受 限于传输媒质的固有Q值，一般希望尽 可能小。 Q称为品质因数，是系统储存的总能量 与一个周期之内损耗能量之比。

带外陡峭度

指由通带与阻带之 间的过渡带，一般 希望下降得越快越 好，但是与带内波 动是一对矛盾。表 示方法很多，可以 采用达到规定衰减 需要的带宽来表示。 右图为两种不同的 带外陡峭度。
带内波动

带内波动是指合路 器通带内信号幅度 的起伏程度，通常 规定为通带内信号 起伏的最大值与最 小值之差。带内波 动越小，信号在通 带内越稳定，但是 带外陡峭度会下降， 所以需要在两个方 面综合考虑。
滤波器及合路器的基础原理
孙小四
主要内容
滤波器的基本概念 滤波器的分类 滤波器的关键技术指标 合路器的概念以及与滤波器的关系 合路器的关键技术指标 我们研发的合路器的简要介绍

滤波器基本概念

滤波器是通信技术中很多问题的中心， 通信工程中常用的重要器件，它对信号 具有频率选择性，在通信系统中通过或 阻断、分开或合成某些频率的信号。

下图是腔体滤波器， 也是我们目前正在 研究的滤波器类型。 此类滤波器的特点 是可以实现的Q值 很高，功率容量很 大。缺点就是体积 比较大，重量大， 成本较高。
滤波器的分类

从功用角度可分为低通，高通，带通， 带阻等类型，见下面例图。
滤波器的分类

从带宽角度可分为窄带，中带，宽带等类型，其中相对带宽小 于20％的属于窄带滤波器，大于40％的属于宽带滤波器，介于 20％与40％之间的属于中带滤波器。 窄带滤波器的相对带宽：BW=(f2-f1)/f0 f1，f2分别是通带的起止频率 f0是通带中心频率 窄带滤波器的相对带宽一般在20%以下

Q值对设计的启发：谐振铜管之间的耦 合窗口尽量开大，这样单腔的表面积会 减少，单腔体积也会无形中有所增加

较常用的交叉耦合形式
容性耦合 感性耦合 在非主通道上的附加耦合
二者在功能上的关系 二者在结构上的关系 二者在设计方案上的关系

二者在功能上的关系

合路器可以实现几个滤波器的联合功能， 将不同中心频率，不同带宽的滤波器整 合在一起，成为一个整体以满足工程需 要。鉴于此关系，合路器与滤波器的主 要参数是基本一样的
二者在结构上的关系

合路器由两个或两个以上的通道组成， 每一个通道都可以看作一个滤波器，不 过在端口部分的结构稍有改变。

合路器除了具有滤波器的指标之外，还 有一些独有的指标，如隔离度，三阶互 调等。
合路器的隔离度

合路器的隔离度是指当合路器的主路接 匹配负载时，射频信号泄漏到其它端口 的功率与输入功率之比。
合路器的三阶互调

互调干扰是指两个（或多个）不同频率 的信号同时作用在合路器的输入端时， 由于合路器的非线性，这几个信号之间 的互调产物落入通频带内从而形成的干 扰，以三阶互调产物对通带的影响最大。
在不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反 射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax ，形成 波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电 压振幅Ｖmin ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。 这种合成波称为行驻波。 反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为 R 反射波幅度 ＺL－Ｚ0 R ＝───── ＝ ─────── 入射波幅度 ＺL＋Ｚ0 波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记 为VSWR 波腹电压幅度Ｖmax 1+R VSWR ＝ ────────────── ＝ ──── 波节电压辐度Ｖmin 1-R 终端负载阻抗ＺL 和特性阻抗Ｚ0 越接近，反射系数 R 越小，驻波比 VSWR 越接近于１，匹配也就越好。
二者在设计方案上的关系

滤波器相对于合路器来说设计要简单很 多，合路器由于考虑的频段更多，在三 路合一的部分处理起来有一定困难。但 是从根本上说，两者的设计方法在很大 程度上是一致的。之前描述的滤波器的 设计过程对合路器是基本适用的，不同 的是合路器的调节工作更多，难度也较 滤波器大。
合路器技术指标
计算滤波器的重要参数，在电路上实现所需功能。 建立物理模型，通过仿真软件将电路模型转化为物 理结构。 根据仿真结果画出加工图纸，对样品进行调试，使 其满足指标要求，并对设计方案进行必要的修正， 可能需要不止一次。
产品定型，投入生产，但由于加工精度问题，产品 都需要进行调试才能最终符合技术要求。
滤波器与合路器的联系

工作频率以及中心频率f0
滤波器的频率范围是给定相对最小插损 值的两个截止频率范围，即指从下限频 率f1到上限频率f2的频率范围，频率范 围应包含起始频率f1和终止频率f2。 中心频率f0就是工作频带的中心一般我 们认为是上下边频的平均数，在设计中 取作f1与f2乘积的平方根。

带宽以及相对带宽