滤波器详细分类ppt课件

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 300GHz 波长很短 通常为1m 1mm的电磁波 微波具有似光性和似声性 穿透性 信息容量大等特点 3 电磁波 300MHz 3000GHz 可见光 1m 电磁波谱 0 1mm 频率 波长 3GHz 30GHz 300GHz 10cm 1cm 1mm 普通无线电波 红外线 紫外线 亚毫米 微波 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 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 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 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 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 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 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 电压驻波比则是波腹电压与波节电压的比值 即Ei为入射波电压 Er为反射波电压 当ZL和Z0都为实数时 带通滤波器技术指标 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 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 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 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 其中 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 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 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 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 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 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 50 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 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 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10GHz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 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 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 金属波导滤波器实物图 基片集成波导滤波器 基片集成波导 Substrateintegratedwaveguide 简称SIW 是一种新型的平面化波导结构 SIW通过在介质的上下表面渡上导体 并周期性地在基片的两侧嵌入孔距较小的金属孔 这两排金属孔构成了波导的窄壁 上面表面的金属涂层形成波导结构的长边 因此可以起到和金属壁一样限制电磁波向外福射的效果 从而把电磁波限制在一定范围内向前传播 基片集成波导滤波器示意图 文献中的基片集成波导滤波器实物 四 MEMS毫米波滤波器 MEMS是MicroElectroMechanicalSystem 微电子机械系统 的缩写 它是一种智能系统 具备能量转换和信息处理的能力 可以在类似于桂这样的衬底材料上实现大批量加工生产 广泛用于毫米波电路系统中 MEMS滤波器 基于MEMS工艺的毫米波带通滤波器 该滤波器结构采用高阻硅作为衬底材料的薄膜支撑结构 选用平行耦合滤波器形式 工艺流程1 上盖板的制作 ICP刻蚀 3 m 2 薄膜支撑基板制作 L 成品 李倩 杨志 胡小东 MEMS毫米波滤波器的设计与制作 J 微纳电子技术 2010年3月 第47卷第3期 参考文献 五 陶瓷介质滤波器 多层陶瓷微波滤波器是经过电子陶瓷材料流延成型工艺 低温叠层烧结技术 高精度印刷叠层技术及封装技术等多种工艺流程而制成的高频多层陶瓷微波滤波器 它具有频率高 体积小 插损小 衰减大的特性 在移动通信 数字化家电等产品中得到广泛的应用 多层陶瓷微波滤波器是通过在介质层上的印刷金属图案构成分布电容C和分布电感L 同时位于不同介质层上的金属图案层之间形成耦合电容而得到的 其实质是用带状线来实现滤波器的设计 叠层后 介质层上的印刷金属图案就相当于处于介质中的带状线 当设计不同长度和不同宽度的金属图案层时 就可以得到不同的L和C 因此 通过设计金属图案层的形状和选用适当的介质时 就可得到在某一特定频率发生谐振 同时满足带内插损 带宽和阻带等各项指标要求的滤波器 六 声表面波滤波器 声表面滤波器是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜 然后经光刻 在两端各形成一对叉指形电极组成 当在发射换能器上加上信号电压后 就在输入叉指电极间形成一个电场使压电材料发生机械振动 即超声波 以超声波的形式向左右两边传播 向边缘一侧的能量由吸声材料所吸收 在接收端 由接收换能器将机械振动再转化为电信号 并由叉指形电极输出 声表面波的激励与接收 声表面波滤波器的特点是 1 频率响应平坦 不平坦度仅为 0 3 0 5dB 群时延 30 50ns 2 SAWF矩形系数好 带外抑制可达40dB以上 3 插入损耗虽高达25 30dB 但可以用放大器补偿电平损失 声表面波滤波器具有选频特性 其特性取决于叉指换能器电极的形状 间距 交叉长度和电极数目等 只要合理设计 便可获得接近理想的中频幅频特性 4 声表面波滤波器体积小 重量轻 性能可靠 不需要复杂调整 5 频率范围为10MHz 3GHz 七 SIR滤波器 带阻 阶跃阻抗谐振器 SIR 是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器 4型SIR是其中最具吸引力的一种形式 它既能减小滤波器尺寸 又能通过调节阻抗比来很好控制杂散频率 实现滤波器小型化和宽阻带的要求 梳状线形式的滤波器由于一端的电容加载 缩短了滤波器的谐振器的尺寸 交叉耦合滤波器成为近20年的研究热点 由于其有限处的传输零点可以任意设置 最多可以设置与滤波器阶数一样多的传输零点数目 最大限度地提高了滤波器的带外抑制能力 从理论上讲有多少个不同尺寸的SIR结构就可以产生多少个频点的阻带功能 4型SIR结构 微带传输线 微带发夹型SIR双频带阻滤波器仿真模型 微带发夹型SIR双频带阻