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RF/ RF/微波滤波器微波滤波器 团队成员： 陈国莹 舒娜 陶子文 赵俊顶 徐鑫 一、滤波器的基本概念、分类及应用 二、RF/微波滤波器的发展历史、趋势 三、RF/微波滤波器的综合设计 四 、LTCC的特点、设计方法 五、常用微波滤波器详细分析 1.1 1.1 滤波器的基本概念滤波器的基本概念 在射频/微波系统中通常需要把信号频 谱中有用的几个频率信号分离出来而滤除 无用的其他频率信号，完成这一功能的设 备称为滤波器。 1.2 1.2 滤波器的分类滤波器的分类 通常采用工作衰减LA来描述滤波器的幅值特性。根 据衰减特性不同，滤波器通常分为低通、高通、带 通和带阻滤波器。 1.2.1根据滤波器的选频作用分类 无源滤波器 有源滤波器 LC滤波器 晶体和陶瓷滤波器 机械滤波器 分布参数滤波器 RF有源滤波器 数字滤波器 滤波器 1.2.1根据滤波器的源分类 1.2 1.2 滤波器的分类滤波器的分类 无线通信发射/接收系统 1.3 1.3 滤波器应用滤波器应用 一、滤波器的基本概念、分类及应用 二、RF/微波滤波器的发展历史、趋势 三、RF/微波滤波器的综合设计 四 、LTCC的特点、设计方法 五、常用微波滤波器详细分析 二、滤波器的发展历史与趋势二、滤波器的发展历史与趋势 1910，载波电话系统推动滤波器的发展； 1915，Wagner滤波器设计，随后，Zobel, Foster, Cauer, Norton系统研究了集中元件 滤波器设计方法； 1933，Mason石英晶体滤波器； 1940，基于传递函数的精确滤波器综合方法 ； 50年代，分布元件（同轴、波导）滤波器。 代表人物：Cohn, Levy, Matthaei。 70年代，微波集成电路的发展带动了集 成滤波器（微带、带状线）发展； 80年代，低损耗材料的突破使得非金属 滤波器（介质、陶瓷）的应用成为可能； 90年代以来，移动和卫星通信的发展， 要求小体积、低损耗、高选择性滤波器， 因此，准椭圆滤波器（具有有限传输零点 ）成为研究热点。同时，出现各种致力小 型化的特种材料滤波器（超导、三维、 LTCC). 一、滤波器的基本概念、分类及应用 二、RF/微波滤波器的发展历史、趋势 三、RF/微波滤波器的综合设计 四 、LTCC的特点、设计方法 五、常用微波滤波器详细分析 三、三、RF/RF/微波滤波器的设计微波滤波器的设计 3.1 滤波器设计过程 3.2 低通原型滤波器 3.3 低通原型滤波器的传递函数 3.4 频率变换 3.1 3.1 滤波器设计过程滤波器设计过程 3.2 3.2 低通原型滤波器低通原型滤波器 低通原型滤波器是指元件值和频率都归 一化的低通滤波器。 元件值归一化是对源电阻或导纳归一化。 频率归一是对截止频率归一化。 集总参数的低通原型滤波器（简称低通 原型）是设计滤波器的基础，各种低通 、高通、带通和带阻滤波器的传输特性 都是根据此原型特性变换而来。 3.3 3.3 低通原型滤波器的传低通原型滤波器的传 递函数递函数 理想的滤波特性，用有限个元件的电 抗网络是无法实现的。实际的滤波器 只能逼近理想滤波器的衰减特性。 因此，在设计滤波器时，首先要确定一个逼近理想滤波器 特性的传递函数，然后再根据传递函数综合具体的电路结 构。 一个无源无耗滤波器的传递函数的振幅的平方定义为： 对于线性时不变网络，传递函数可以定义成有理函数的形 式： 对于一个给定的传递函数，滤波器的插入损耗响应为： 在无源无耗的二端口网络中 ,滤波 器的回波损耗为： 如果有理传递函数是已知的，则滤波器的相 位响应为： 滤波器的群延迟响应为： 对于衰减特性，选取传递函数首先应满 足下面的性质： （1） （2） 在满足上述性质的基础上，再考虑电路 的可实现性，就可以确定具体传递函数 。实用中广泛使用的传递函数有：最平 坦型、切比雪夫型、椭圆函数型。 1)1)最平坦最平坦(Butterworth)(Butterworth)响应响应 最平坦型传递函数的插入损耗为： 该函数的特点是在0处的函数值、一阶 、二阶、直至n阶导数均为零。 有理传输函数为： 没有有限的频率零点，所有零点都在无 限远处，而极点在左半平面的单位圆的 等角点上。 最平坦响应和极点分布： Butterworth响应在零点附近与理想的低通 滤波器近似得最好，而在接近于截止频率时 ，最差。 n Chebyshev响应传递函数的振幅平方为： 式中 波纹常数，由给定的通带波纹 确定 是n阶第一类Chebyshev函数: 2)2)切比雪夫切比雪夫( (ChebyshevChebyshev) )响应响应 Chebyshev响应: 3)3)椭圆函数响应椭圆函数响应 椭圆函数响应的传递函数的振幅平方为: 式中 ， 当 且 时， 将在 间振荡。 椭圆函数响应曲线 2.4 2.4 频率变换与阻抗变换频率变换与阻抗变换 低通原型滤波器中，源电阻和截至频率都 是归一化的： g0=1, c=1 实际滤波器（低通、高通、带通盒带阻） 的频率特性和元件值，可以通过频率变换 和阻抗变换从低通原型滤波器的元件只获 得。 频率变换就是把低通原型频域映射到实 际滤波器的频域。 阻抗变换就是把低通原型滤波器的归一化 元件值犯规已为实际滤波器的元件值。 定义阻抗比 在元件值变换中，频率变换因不同传输特 性而不同。阻抗变换却是可以用在任何类 型的滤波器中： 一、滤波器的基本概念、分类及应用 二、RF/微波滤波器的发展历史、趋势 三、RF/微波滤波器的综合设计 四 、LTCC的特点、设计方法 五、常用微波滤波器详细分析 4.14.1、LTCCLTCC的研究现状和进展的研究现状和进展 随着现代通信技术的发展，特别是移动通信的快速发展， 使得小型化、轻量化的微波器件越 来越受重视，使得封装技术 不断飞速地向前发展，虽然目前大多无线通信器件还是采用传 统的刷（）封装技术，但由于该工艺在电路的互连、产 品体积、重量等诸多方面满足不了人们对性能高 、低成本、体 积小、重量轻的新一代无线电设备的要求，这就决定了它必将 被其他新的封装技术取代。 4.14.1、LTCCLTCC的研究现状和进展的研究现状和进展 在目前形势下，有两大新技术 ：一是单片微波成电路（ I）技术已能成功地将一些无源元件集成到，但是整 合性越高的，其制造成本急剧增加 ，加上受到材料与工艺 技术的限制，要做到将大量无源元件集成到中仍有很多困 难。 另一新技术则是多芯片组件（）技术，众多的专家 和学者认为实现系统集成的最佳方式应该是多芯片组件（ ）技术，因为它能十分方便地将多个芯片集成到同一块 4.14.1、LTCCLTCC的研究现状和进展的研究现状和进展 基板上再安装， 无法集成于之内的无源元件，利用表面贴 片技术（）等微电子组装与互连技术，将这些元件也组 装在同一基板上，形成一个完整的电路系统。低温共烧陶瓷 （）技术被认为是M技术中最重要的一种技术， 其应用广泛，特别是通信领域，技术占据着越来越重 要的地位。T无源滤波器作为技术的一种应 用 ，由于滤波器具有体积小、量轻、性能好、成本低等诸多优 点，在很多领域着不替代的地位。 4.2 LTCC原理及设计方法 在微波电路设计中一般用以下三种方法实现滤波器 （ ）用集总参数（）实现: 4.2 LTCC原理及设计方法 （）用半集总元件实现 4.2 LTCC原理及设计方法 （）用分布元件实现 腔 体滤波器 波导滤波器 4.2 LTCC原理及设计方法 一、滤波器的基本概念、分类及应用 二、RF/微波滤波器的发展历史、趋势 三、RF/微波滤波器的综合设计 四 、LTCC的特点、设计方法 五、常用微波滤波器详细分析 一、滤波器的基本概念、分类及应用 二、RF/微波滤波器的发展历史、趋势 三、RF/微波滤波器的综合设计 四 、LTCC的特点、设计方法 五、常用微波滤波器详细分析 发卡型谐振器及耦合 发卡型谐振器间的耦合 发卡型谐振器间的耦合 当发卡型谐振器在谐振频率时，两臂的开路端处具 有最大电场，在中间的连接臂处具有最大磁场。因此， 两谐振器放置的相对位置就决定了何种耦合方式占主要 地位。上图给出了耦台结构的场分析，电耦合情况下， 两个发夹型谐振器的相对开路端处电流为0，相互之间 产生一个很强的电场，中心面处的电场强度达到最大， 从图中电力线分布来看相当于一个理想电壁；磁耦合的 情况下，两个发夹型谐振器的中部电流最大，电场为0 ，中心面处产生的磁场达到最强，从图中磁力线的分布 来看相当于一个理想磁壁。混合耦合的情况包括了电耦 合和磁耦合两种特性。 发卡型谐振器间的耦合 三阶连滤波器 三阶连滤波器 三阶连滤波器 从滤波器(a)的频响曲线可以看出，该滤波器以 2.3GHz为中心频率，通带内插损为1.7dB，反射系数低 于-15dB，能够满足一般系统的应用条件。滤波器(b)的 中心频率为1.86GHz，通带内最小插损为2.9dB。虽然 依靠谐振器的内部藕合效应减小了滤波器的设计尺寸， 但从通带内ISllI曲线可以看出它的测量匹配特性较差， 这可能与样片接地面很小有关，故无法适用在要求低反 射条件的场合。前两者所要求的加工精度都较易满足。 滤波器(c)工作在1.822.05GHz通频段内，带内传输曲 线平坦，最小插损为1.4dB，带内反射系数-18dB，可见 端口匹配特性也较好。 三阶连滤波器 四阶交叉耦合滤波器 四阶交叉耦合滤波器 从图可以看到，仿真与测量结果吻合的很 好，并且符合给定的指标要求。在2.57GHz为 中心频率的通带内插