滤波器设计教材

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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 滤波器能承受的最大信号通过功率， 冲功率容量由其中强电场对介质的击穿来确定， 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。 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 和带状线结构的功率容量至少要比矩形波导小6、 而矩形波导又比圆波导小4倍左右. 7倍，而矩形波导又比圆波导小4倍左右.
VSWR − 1 回波损耗=20Log VSWR+1
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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 为了区分在有两个或者两个以上通带情况下（ 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： 的两个通道分别接rx tx端 rx与 ATN端接50欧姆负 端接50 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 的高端点与RX 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 频带内和TX频带内） 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 或者s21的值。 s12或者s21的值。
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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 又称衰减,在理想情况下， 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.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. 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, 0dB基准的插值 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: 式为:
PORT1
Fra Baidu bibliotek
PORT2
PORT1
PORT2
50
50
TX
(发射)
ANT
(天线) 双工器
RX
(接收)
TX
(发射)
ANT
(天线) 双工器
RX
(接收)
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• RX测试图形
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• TX测试图形
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滤波器的实现形式
• • • • • 集总参数滤波器 微带线、 微带线、带状线滤波器 同轴腔体滤波器 波导滤波器 介质滤波器
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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 端口驻波是衡量滤波器性能的一个关键指标， 应滤波器件与系统中其它部件的匹配程度。 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 Ei和反射波Er。 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， 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； 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 Emin， 的地方电压幅度相减形成一个最小电压振幅Emin， 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，这种合成波称为驻波。 波节之间，这种合成波称为驻波。
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------微波滤波器基础知识介绍 微波滤波器基础知识介绍
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微波及其特点
• 所谓微波是一种具有极高频率（通常为300 MHz~300GHz ），波长很短，通常为1m~ 1mm的电磁波。
光速ε 0 波长λ = 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。
Emax |Ei|+|Er| ZL VSWR= = = Emin |Ei|−|Er| Z0
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带通滤波器技术指标
• 该指标另一个含义相同的名称是回波损耗，单位 该指标另一个含义相同的名称是回波损耗， 为分贝（dB），二者可如下换算： ），二者可如下换算 为分贝（dB），二者可如下换算：
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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： 信号通过滤波器时的延迟时间，可用以下公式表示：
dϕ td = dω
• 其中φ为滤波器电压转移函数Ea/EL 的相位，对于N个谐振 其中φ为滤波器电压转移函数Ea/EL 的相位，对于N 器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为： 器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为：
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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，
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 为入射波电压, Er为反射波电压 ZL和Z0都为实 为反射波电压, 数时
• 带阻滤波器
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带通滤波器技术指标
• 通带工作频段
• 即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.
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微波带通滤波器的设计
• 设计微波带通滤波器的一种常用的方法是从集中 元件的低通原型出发，经过频率变换， 元件的低通原型出发，经过频率变换，导出集中 参数耦合谐振器带通滤波器的设计公式， 参数耦合谐振器带通滤波器的设计公式，然后用 微波结构来实现这些耦合结构和谐振器， 微波结构来实现这些耦合结构和谐振器，从而得 到微波带通滤波器。 到微波带通滤波器。 • 首先根据滤波器的频率和阻带抑制要求选定合适 的低通滤波器原型。 的低通滤波器原型。
Pin IL= 10log PL
• 其中PL 是滤波器向负载输出的功率, Pin 是滤波器从信号 其中PL 是滤波器向负载输出的功率, 源得到的输入功率,一般希望插入损耗越小越好。 源得到的输入功率,一般希望插入损耗越小越好。
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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。
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同轴谐振腔滤波器
• 其结构排列比较灵活，适合于100MHz－40GHz 其结构排列比较灵活，适合于100MHz－ 100MHz 频段带通滤波器的设计， 频段带通滤波器的设计，在当今移动通信频段领 域使用最多的当是同轴腔， 域使用最多的当是同轴腔，它的基本原理是根据 四分之一开路线和二分之一短路线所等效的LCR 四分之一开路线和二分之一短路线所等效的LCR 谐振电路。在实际的产品研发和生产中， 谐振电路。在实际的产品研发和生产中，我们使 用了改进的双同轴UIR(均匀阻抗匹配) UIR(均匀阻抗匹配 用了改进的双同轴UIR(均匀阻抗匹配)四分之一波 长谐振结构。这种结构的优点是：结构通用， 长谐振结构。这种结构的优点是：结构通用，易 于开发移植，适用移动通信全频段；调节范围大， 于开发移植，适用移动通信全频段；调节范围大， 对公差要求不高， 对公差要求不高，非常适于初等产品的低成本生 功率容量大，采用电耦合输入输出， 产；功率容量大，采用电耦合输入输出，所以产 品一致性和稳定性很好。 品一致性和稳定性很好。
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• RF滤波器综合过程
滤波器的 技术指标 频率变换 低通原型 传递特性 低通原型 综合 低通原型 元件值 频 率 变 换
器 件值
滤波 元
变换
滤波 器元件的 值
通
0.01分贝切比雪夫低通滤波器 衰减特性图
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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 矩形系数是60dB带宽3dB带宽的比值, 60dB带宽3dB带宽的比值 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:
BW60dB fU60dB- fL60dB SF = = BW3dB fU3dB- fL3dB
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• 主要由谐振腔、谐振导体、调谐钉组成 主要由谐振腔、谐振导体、
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无加载电容
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• 滤波器的结构
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• 滤波器的结构
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微波带通滤波器的设计
• 滤波器的特性与滤波器的设计关系很大，滤波器 滤波器的特性与滤波器的设计关系很大， 的抑制特性一般采用三种设计函数： 的抑制特性一般采用三种设计函数：1、巴特沃斯 函数； 切比雪夫函数； 椭圆函数， 函数；2、切比雪夫函数；3、椭圆函数，其中切 比雪夫函数最为常用。 比雪夫函数最为常用。滤波器的损耗近似计算公 式为： L≈4.34×f0× BW× 式为： L≈4.34×f0×∑gk /（BW×Q） 。一般 来说，滤波器的特性存在以下规律： 来说，滤波器的特性存在以下规律： • a) 滤波器的级数越多，带外衰减越快； 滤波器的级数越多，带外衰减越快； • b) Q值越高，损耗越小； Q值越高 损耗越小； 值越高， • c) 通带带宽越宽，损耗越小； 通带带宽越宽，损耗越小； • d) 工作频率越高，损耗越大； 工作频率越高，损耗越大；
n td = π BW
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反射时延
• 滤波器单节的反射时延可近似估计为： 滤波器单节的反射时延可近似估计为： 可近似估计为
2 td = π BW
• 实际调试中可以调节抽头耦合线的高度及粗细等 来调节
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滤波器指标的测试
• 双工器测试示意图：
网络分析仪 网络分析仪
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滤波器的四种形式
• 低通滤波器
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低通滤波器电路原型
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滤波器的四种形式
• 高通滤波器
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滤波器的四种形式
• 带通滤波器
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• 带通滤波器电路原型
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滤波器的四种形式
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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， 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，但实际情况是， 全部通过，通道外的信号全部过滤掉，但实际情况是，只 能过滤掉一部分能量， 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， 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， 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， 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， 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。 这个具体的损耗值就是带外抑制的值。
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滤波器的基本原理
• 滤波器顾名思义就是对电磁波信号进行过 让需要的信号通过， 滤，让需要的信号通过，抑制不需要的信 主要目的为了解决不同频段、 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， 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、 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、 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。 矩形系数、功率容量、群时延指标来描述。