微波滤波器基础知识..

微带类椭圆函数滤波器
4阶微带开路环带通滤波器
交指型微带滤波器（微带、腔体皆可）：
频率范围：800MHz～16GHz 带宽：10%～100%，特殊要求3％～70％ 插入损耗：0.5～2dB(随带宽不同而不同) 阻带抑制：近端过渡带决定于滤波器节数，远端一般大于70dB 输入／输出阻抗：50Ω 输入／输出驻波：VSWR≤1.7:1（特别要求时可≤1.5:1） 通过功率：5W（特别要求时可达100W） 温度：-55～+85℃ 输入输出形式：SMA、N、L16等
波导滤波器Q值高，插损小，温度稳定性好，特别 适合于窄带应用。在1.7～26GHz的频率范围内可实 现0.2％～3.5％带通滤波，在各种要求高性能滤波特 性的军用电子产品中被广泛使用。波导滤波器中比 较常见的有两种：金属波导滤波器（直接耦合式） 和基片集成波导滤波器。
金属波导滤波器： 金属波导滤波器由于其适用频段高、插入损耗小、功率 容量大、加工简单,现在仍然被广泛应用于微波工程领域, 尤其在雷达系统的信号发射端,由于其较高的工作频段和 功率容量、使其相对于微带滤波器和腔体滤波器,都有明 显的优势。
滤波器的基本形式
• 低通滤波原型
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w>w1,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（巴特沃兹滤波器）、切比雪夫低通 滤波器、椭圆函数低通滤波器。
输入输出形式：SMA、N、L16等
输入输出驻波:1.8:1
微带滤波器
微带滤波器主要包括平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、 微带类椭圆函数滤波器、交指型滤波器。 半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应 用的带通滤波器形式。其结构紧凑、第二寄生通带的中心频 率位于主通带中心频率的3倍处、适应频率范围较大、适用 于宽带滤波器时相对带宽可达20%。其缺点为插损较大，同 时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤波器在一个方向上 占用了较大空间。
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
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
• 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
• 插入损耗
又称衰减,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.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 耗定量的描述了功率响应幅度与0dB基准的插值,其数学 表达式为:
其中PL 是滤波器向负载输出的功率，Pin 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。
• 主要由谐振腔、谐振导体、调谐钉组成
无加载电容
• 滤波器的结构
（三）波导滤波器
主要性能指标： 频率范围：1.7～26GHz 带宽：0.1%～20％ 插入损耗：0.5～3dB(随带宽不同而不同) 输入输出形式：SMA、N、L16等 输入输出驻波：1.3:1 温度：-55～+85℃
（三）波导滤波器
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 位为分贝（dB），二者可如下换算：
带通滤波器技术指标
• 隔离度
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， 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 的两个通道分别接rx与tx端，而ATN端接50欧姆负 载时，整个频段（TX的高端点与RX的低端点之间 的带宽）或者两个通带内（RX频带内和TX频带内） s12或者s21的值。
频率范围/GHZ 18～27 27～40 40～60 60～80 80 ～100
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滤波器的基本原理
• 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
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 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。
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
Emax |Ei|+|Er| VSWR= Emin |Ei||Er|
Ei 为入射波电压, Er为反射波电压,当ZL和Z0都为实数时
Emax |Ei|+|Er| ZL VSWR= Emin |Ei||Er| Z0
带通滤波器技术指标
带通滤波器技术指标
矩形系数
矩形系数是60dB带宽3dB带宽的比值,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:
BW60dB fU60dB- fL60dB SF BW3dB fU3dB- fL3dB
带通滤波器技术指标
• 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 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 少要比矩形波导小6、7倍，而矩形波导又比圆波导小4倍 左右.
• 发夹型滤波器
5阶发夹型滤波器电路图
微带类椭圆函数滤波器： 平行耦合线滤波器、交指型滤波器等，获得在带内 较平坦的幅频特性，但带外抑制特性较差。微带类 椭圆函数滤波器，通过在带外引入衰减极点，能明 显改善滤波器的带外特性，比平行耦合线滤波器、 交指型滤波器有更好的电特性。并且微带类椭圆函 数滤波器具有较小的体积，同时，在超导状态，由 于导体薄膜的无载Q值很高，该种滤波器将在具有 较高选择性的同时又具有较低的插损，具有很好的 应用前景。
交指型滤波器：
交指型微带带通滤波器的工作原理可以这样 解释:将平行藕合微带滤波器相邻的两个藕合 线节从中点处切断，并折迭起来，合并为一 根藕合线节，将其一端短路接地，另一端开 路，并保持相邻两级线节之间的藕合间隙不 变，形成交指型结构。
交指型滤波器：
平行耦合线到交指耦合型滤波器的演变
（二）同轴滤波器
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
带通滤波器技术指标
• 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 件与系统中其它部件的匹配程度。 当系统不匹配时, 馈线上同时存在入射波Ei和反射波Er。 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Emax，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 个最小电压振幅Emin，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 波称为驻波。
带通滤波器技术指标
• 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
• 带外抑制
又称阻带抑制,理想的滤波器是矩形的，通带内的信号全 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 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， 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。 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 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
• 群时延
信号通过滤波器时的延迟时间，可用以下公式表示：
d td d
其中φ为滤波器电压转移函数Ea/EL 的相位，对于N个谐振 器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为：
n td BW
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；根据工作
普通无线电波
长波 中波 短波 超短波 分米 可 见 光
频率
微
波
红外线
紫外线
厘米 毫米 亚毫米
波长
1mFra Baidu bibliotek
10cm 1cm 1mm 0.1mm
微 波 波 段 的 划 分
波段代号 UHF L S C X Ku
频率范围/GHZ 0.3～1 1～2 2～4 4～8 8～12 12～18
波段代号 K Ka U V W
• 半波长谐振器平行耦合滤波器（带通）
(a) 窄带结构
(b) 宽带结构
发夹型滤波器： 和平行耦合线滤波器结构相比，发夹型滤波器具有 紧凑的电路结构，减小了滤波器占用的空间，容易 集成，并且降低了成本。 发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成 ，是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是将 半波长耦合谐振器折合成U字型构成的，因此与交 指式、梳状线式等其他微波滤波器结构相比，其电 路结构更加紧凑，具有体积小，微带线终端开路无 需过孔接地，易于制造等优点。
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、波导滤 波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、陶瓷介质滤波器、 SIR(阶跃阻抗谐振器)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 析。
（一）微带滤波器
主要性能指标： 频率范围：500MHz～6GHz 带宽：10%～30% 插入损耗：5dB(随带宽不同而不同)
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比雪夫的波纹特性。 其低通原型的逼近函数为:
微波滤波器基础知识
微波及其特点
所谓微波是一种具有极高频率（通常为300MHz-30 0GHz ），波长很短，通常为1m-1mm的电磁波。
光速 波长 = 频率f 0
微波具有似光性和似声性、穿透性、信息容量大 等特点。
电磁波
电磁波谱 3000GHz 3GHz 300GHz 300MHz 30GHz
主要性能指标： 频率范围：800MHz~16GHz 带宽：0.1%～10％ 插入损耗：0.5～25dB(随带宽不同而不同) 输入输出形式：SMA、N、L16等
输入输出驻波：1.4:1
温度：-55～+85℃
同轴腔滤波器：
同轴腔滤波器广泛应用于通信、雷达等系统, 按腔体结构不同一般分为标准同轴、方腔同 轴等。同轴腔体具有Q值高、易于实现的特点 ,特别适用于通带窄、带内插损小、带外抑制 高的场合。这类滤波器非常适合大规模生产 ，因此成本也非常低廉。但要在10 GHz以上 使用时，由于其微小的物理尺寸，制作精度 很难达到。具体的设计有方法负阻线子网络 构造了多腔耦合的同轴带通滤波器电路模型 ；同轴腔体滤波器温度补偿法；阶跃阻抗谐 振器等。
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: