RF器件在通信上的应用ppt课件

.,1,RF无源器件在通信上的应用及微波滤波器的设计原理,.,2,内容,RF器件在基站、直放站上的应用RF器件在网络优化中的应用异网干扰问题及工程解决方案一些厂家基站设备内的RF器件滤波器的设计原理及最新研究LNA目前的最新研究成果3G发展动态国外移动通信市场情况,.,3,RF器件在基站、直放站上的应用RF器件在网络优化中的应用异网干扰问题及工程解决方案一些厂家基站设备内的RF器件滤波器的设计原理及最新研究LNA目前的最新研究成果3G发展动态国外移动通信市场情况,.,4,功分器,功分器是最简单、最常用的微波无源器件。在移动通信中，常常需要把某一输入功率按照一定的比例分配到各分支电路中，此时可以采用功分器。功分器的主要技术参数：（1）功率损耗（包括插入损耗、分配损耗、反射损耗）；（2）各端口的电压驻波比；（3）功率分配端口间的隔离度；（4）功率容量；（5）频带宽度。,.,5,.,6,采用功分器实现室内分布系统的功率分配,.,7,电桥与耦合器,为了从主传输线耦合一部分能量用于监测维护等目的，需要用到耦合器。耦合器为4端口微波器件。端口1输入信号时，端口3为直通输出端，端口2为耦合端，端口4为隔离端。,1,2,.,8,电桥与耦合器,平行耦合线的长度应该设计为1/4导内波长。常见的耦合器有3dB、4.7dB、6dB、7dB、10dB、20dB、30dB等，其耦合功率比分别是1：1、1：2、1：3、1：4、1：9、1：100、1：1000。对于耦合功率比为1：1的情况，直通口与耦合口等幅平衡输出，相差900，此时称为3dB电桥。,.,9,3dB电桥在移动通信上的应用,（1）作为端口间相互去耦的1：1功分器；（2）将2个频率间隔极小的发射或接收信号相互去耦且合路输出；（3）2组分别经过双工器隔离的联合收/发信号可通过3dB电桥去耦并合路；（4）实现与频率无关的900移相器功能；（5）多数场合在频带内实现合路器功能。,.,10,微波滤波器,滤波器之所以得到广泛的应用，是由于它具有选频功能，可以分隔频率，使需要的频率信号通过，而抑制不需要或有害的频率信号。在移动通信中，多频工作的情况十分普遍，对分隔频率的要求也相应提高，通常应考虑如下指标：（1）频率范围。即滤波器通过或者截止信号的频率界限。按照理想情况，应该使滤波器的频率响应特性在边界频率处产生跳变，也就是使其通带衰减为0，阻带衰减为无穷大。但实际能做到的频率响应特性是连续变化的，通常对截止频率点规定一特定的衰减值。（2）通带衰减。由滤波器残存反射以及滤波器材料损耗所引起，一般希望尽可能小。,.,11,微波滤波器,（3）阻带衰减（或通带外衰减）。一般希望尽可能大，并希望在通带范围外，衰减值能够陡峭地上升，一般取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值作为次项指标。（4）寄生通带。为RF滤波器特有指标，由分布参数的传输线段频率响应的周期性所引起，它导致在离开通带一定频率间隔处重复出现通带，即寄生的通带。应避免截止的频率落入寄生通带内。此外，还有驻波、插入损耗、通带波纹测试端与接收端耦合度等技术指标。,.,12,微波滤波器,由于移动通信频率资源日趋紧张，信道与信道、通带与阻带的间隔越来越小，导致滤波器设计难度增大，实际需求中，不但希望通带衰减小、阻带衰减大，还希望通带至阻带的衰减斜率大。解决这一矛盾的办法通常是采用低损耗、高Q值的谐振腔结构，并适当增加腔体的节数。,不同级数腔体旅伴器的阻带衰减特性,.,13,微波滤波器,下图是典型的GSM频段上6节腔体滤波器的频率响应特性：阻带衰见大于65dB，且在通带内衰减小于0.5dB。,6级谐振腔体滤波器的频率响应特性,.,14,合路器与双工器,对处于同一频段的信号合成，在移动通信频段，可以使用3dB定向耦合器，它是一个四端口器件。使用3dB定向耦合器，每次只能将两个发射信号或接收信号加以合并，且功率损失3dB。对于多路信号，需要用到多个3dB定向耦合器的组合，功率损失进一步增加，同时定向耦合器在频带内对多个输入信号无选频特性。如果需要具备选频功能，或者如果多个频率信号处于不同频段，或者如果要求合路的损耗尽量低，则必须采用选频合路器。选频合路器可以将同一频段或者不同频段上的多个发射信号合成并输出至天线，这样可以共用馈线电缆和天线，节省开支。为此，每条支路信号都应该具备选频功能，即在自己的通带上具有了的插损，同时在其余的支路上具有高的阻带衰减特性。,.,15,合路器与双工器,从原理上看，它是个高性能滤波器的组合，但是多个滤波器不是简单的组合，每个滤波器必须满足在其滤波器通带上高的阻抗衰减选频特性。同样选频合路器也可以将来自天线的接收信号予以分离，形成多个不同频率的信号进入各自的接收机，同样，它也需要具备选频功能。选频合路器与双工器的原理和设计方法是一致的，它们都是不同频带滤波器的组合，但是二者使用上略有区别：双工器工作在通信系统的同一频段上，两个滤波器的公共端口连天线，其中一个滤波器选频工作在上行频段，将来自天线的信号选择发送至天线发射出去。双工器和合路器的选频功能也抑制了各个发信机之间有可能产生的互调干扰。,.,16,合路器与双工器,合路器和双工器的应用,合路器和双工器原理,.,17,GSM与CDMA的合路原理,下图是两路GSM与一路CDMA信号的共双向传输合路方案，其中包含3dB电桥、环行器、选频合路器。各路插损取决于输入端信号源的数目。一路CDMA输入插损可以1），KxdB=BWxdb/BW3dB（x可为40dB、30dB、20dB等）。滤波器节数越多矩形度越高，即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。,.,84,滤波器的主要技术参数,延时（Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位对角频率的导数，Td=d/d。带内相位线性偏离：表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大学。相位线性度要求越高，滤波器的阻带抑制度越差，因而该指标通常在传输脉冲、或调相信号时才被重点提出。,.,85,滤波器的传输函数,Butterworth（巴特沃斯）函数：插损IL=10log（1+2n），该响应函数阻带下降较为缓慢仅在=0处IL=0，IL随增加单调上升。在直流（对带通而言则为中心频率）附近有很小的回波损耗，又称其为最大平坦型。Chebyshev（切比雪夫）函数：IL=10log(1+2Tn2()，=0时IL=0或者10log（1+2）=Ap，在|1时IL单调上升且较最大平坦型快。,.,86,滤波器的传输函数,Elliptic（椭圆函数）：Butterworth、Chebyshev函数均是全极响应函数，而椭圆函数具有有限频率传输点，大大提高了阻带陡峭度，该类响应函数滤波器阻带不象全极点滤波器那样单调下降而是有波动，但是通带近处具有全极点滤波器不可比拟的阻带陡峭度。Gaussian（高斯类函数）：理想线性相位滤波器的带内延迟应该是一条直线，信号经过它传输后不会发生相位失真。高斯类函数响应即为这种线性相位传输特性的近似，它包括最大平坦时延（Bessel函数）、高斯函数、线性相位误差等。这些响应函数具有良好的延时平坦度（即传输相位线性度高），但是幅频选择性远劣于Butterworth、Chebyshev函数，更不如Elliptic函数。,.,87,滤波器的结构形式集总滤波器,按谐振子实现方式分为集总元件、分布参数滤波器两种。分布参数又分为印制版电路（微带、悬置微带线）、机械腔体、介质谐振子等形式。集总（LC）滤波器：适于3GHz以下应用。运用微波集总元件设计方法实现谐振电路，使滤波器具有很小的体积、便于安装，而且无寄生带通（或者离得很远），同时具有设计灵活、研制周期短等优点。但是由于集总电感元件Q值低，该类滤波器插入损耗较大且相对带宽不可能做的很窄（一般3%），限制了它在低插损、高矩形度、窄带、大功率等要求场合下的应用。,.,88,滤波器的结构形式介质滤波器,介质滤波器：介质谐振器Q值一般为集总元件的23倍（TEM模），从而使该类滤波器能够实现窄带滤波（1%1），但是寄生通带较近，该类滤波器主要应用于既要对通带近端杂散进行抑制，同时又需要较小体积的场合。,.,89,滤波器的结构形式腔体滤波器,腔体滤波器：谐振子全部由机械结构组成，使其具有相当高的Q值（数千甚至上万），适合于要求抵插损（小于1dB）、窄带（小于1%）、大功率（可达300W甚至更高）传输等应用场合。该类滤波器具有较大体积、有寄生通带，加工成本较高。,.,90,滤波器的结构形式印制板电路滤波器,印制板电路滤波器：该类滤波器在低成本及没有过高体积要求时广泛应用。尤其在3GHz以上总体性能优于LC滤波器。,.,91,最平坦式滤波器的特点,插入衰减相对频率关系公式：Lfr=10lg1+(fr)2n(dB)其中：=lg-1（L通/10）-1n是滤波器低频等效梯形网络中元件的数目fr是相对频率特点：（1）通带内插入衰减平滑无波动；（2）通带内相位的线性度较好；（3）阻带内的插入衰减上升缓慢。,.,92,切比雪夫式滤波器的特点,插入衰减相对频率关系公式：,L（fr）=10lg1+cos2ncos-1（fr）通带内fr=1时；式中：=lg-1（L通/10）-1n是滤波器低频等效梯形网络中元件的数目fr是相对频率特点：（1）通带内插入衰减平滑有等起伏波动；（2）通带内相位的线性度差；（3）阻带内的插入衰减上升快。,.,93,关于L通,L通称为滤波器通带内插入衰减的“最大值”或“起伏值”。由于滤波器本身假设是“无耗”的，因此这里表述的插入衰减L通是由滤波器的无功反射所引起的，在设计时L通的值在很大程度上是可由设计者自行选定的。但是实际的滤波器中，由于金属和介质材料存在着电阻，将引起有功损耗L有功，这使得滤波器带内总的衰减为：LL通+L有功然而，L有功的数值往往又只能在滤波器设计出来后才能计算出来，因此在设计时往往先按滤波器是“无耗”的情况设计，然后计算L有功，最后计算LL通+L有功看是否超过允许值。由于设计是按“无耗”情况进行的，因此，实际存在着的有功损耗将使滤波器的性能不同于理论性能。但是在通常L有功不是太大的情况下，影响并不十分显著。,.,94,常用的微波滤波器（1）,半波长式谐振器端耦合式带通滤波器传输线形式：微带线或者板线特点：（1）二次通带在20处；（2）上阻带插入衰减的最大值（将出现在0-20之间）将随着滤波器相对带宽的增加而减小，当BWr=0.2或更小时此值较大，而当BWr=0.7时仅5-10dB；（3）适于采用印刷电路。相对频率的计算方法：相对频率=2*（-0)/0/BWr式中:BWr=2*(2-1)/(2+1)为相对带宽0=212/(1+2)为中心频率1、2：通带边界频率,耦合间隙,介质,同轴接头,.,95,常用的微波滤波器（2）,半波长式谐振器侧边耦合式带通滤波器传输线形式：微带线或者板线特点：（1）二次通带在30处。但在20处易有窄的寄生通带；（2）结构，特别适于采用印刷电路。相对频率的计算方法：相对频率=2*（-0)/0/BWr式中:BWr=(2-1)/0为相对带宽0=（1+2）/2为中心频率1、2：通带边界频率,.,96,常用的微波滤波器（3）,交叉指状带通滤波器传输线形式：微带线或者板线特点：（1）二次通带在30处。（2）设计带宽可由1%以下直到一个倍频程以上。（3）尺寸紧凑。相对频率的计算方法：相对频率=2*（-0)/0/BWr式中:BWr=(2-1)/0为相对带宽0=（1+2）/2为中心频率1、2：通带边界频率,.,97,常用的微波滤波器（4）,梳状带通滤波器传输线形式：板线特点：（1）二次通带通常在40或更高处。（2）适用于带宽在30%以内的滤波器。（3）尺寸紧凑。相对频率的计算方法：相对频率=2*（-0)/0/BWr式中:BWr=(2-1)/0为相对带宽0=（1+2）/2为中心频率1、2：通带边界频率,.,98,常用的微波滤波器（5）,直接耦合式带通滤波器传输线形式：波导或者同轴线特点：（1）当L=0时，或高次模产生时将出现二次通带或寄生通带。（2）适用于带宽在百分之几到20%以内的带宽。（3）尺寸较紧凑。相对频率的计算方法：相对频率=2*（g0-g)/g0/BW式中:BW=（g0/0）2(2-1)/0为相对带宽g0=（g1+g2）/2为中心频率对应的波导波长g1、g2：通带边界频率对应的波导波长,.,99,常用的微波滤波器（6）,/4耦合式带通滤波器传输线形式：波导或者同轴线特点：（1）当L=0时，或高次模产生时将出现二次通带或寄生通带。（2）适用于带宽在百分之几或更小的窄带滤波器。相对频率的计算方法：=（/0）-（0/）/（2/0）-（0/2）式中：02=21为中心频率1、2：通带边界频率BWr=（2-1）/0为相对带宽,.,100,常用的微波滤波器（7）,宽带板线分支线带阻滤波器传输线形式：板线或者同轴线特点：（1）二次阻带在30处。（2）设计方法本身对无论是宽阻带或者窄阻带都适用，但是从实现的角度看，适合做宽阻带的带阻滤波器。相对频率的计算方法：=tg/(20)/tg1/(20)式中：0=(2+1)/2为阻带中心频率1、2：通带边界频率BWr=（2-1）/0为相对带宽,.,101,常用的微波滤波器（8）,窄带板线平行耦合线带阻滤波器传输线形式：板线特点：（1）二次阻带在30处。（2）适合做窄带带阻滤波器。相对频率的计算方法：=tg/(20)/tg1/(20)式中：0=(2+1)/2为阻带中心频率1、2：通带边界频率BWr=（2-1）/0为相对带宽,.,102,常用的微波滤波器（9）,窄带波导带阻滤波器传输线形式：波导特点：（1）当Lg0或高次模出现时将出现二次通带或寄生通带。（2）适合做窄带带阻滤波器。相对频率的计算方法：=BWr/(g0/g-g/g0)式中：BWr=(g0/0)2(2-1)/0为相对带宽g0=sqrt(g1g2)0：g0对应的阻带中心频率1、2、g1、g2：通带边界频率及对应的导波波长,.,103,微波滤波器设计的第一步,1、根据滤波器在低通、高通、带通、带阻等四种形式中选哪一种形式？并且根据（1-9）给出的不同滤波器及其特点，选定滤波器的结构形式。2、根据对滤波器插入衰减及其相位的要求，确定滤波器的插入衰减和频率的关系是取最大平坦式还是切比雪夫式？一般情况下均取切比雪夫式，因为在其阻带内插入衰减上升快。也就是说，在满足同样阻带要求的情况下，此种滤波器中需要使用的元件的数目最少，因而便于制造和调整。只有在对滤波器相位频率关系的非线性度有较高要求时，才考虑是否取最大平滑式。但是即使这样，在其通带内的相位频率关系也不完全是线性的。3、根据对滤波器插入衰减频率响应的要求，确定滤波器等效梯形网络中必须的元件数目n等于几？（1）因为已知需阻止的频率阻数值，因此可以根据（1-9）来计算该种滤波器相应的相对频率阻的数值。（2）根据算得的阻的值以及要求的L阻的值，查表，当取定通带内最大的插入衰减值L通时，就可以定出：为了在阻处达到L通(dB)值,滤波器低频等效梯,.,104,微波滤波器设计的第一步,形网络中必需的元件数目n，如果n非整数，则可取下一个较大的整数。这里需要注意的是通带内的衰减L通是由设计人员根据要求选定的。4、根据滤波器插入衰减频率响应的函数形式（是切比雪夫式还是最大平滑式）、取定的通带内插入衰减值L通、以及滤波器低频等效梯形网络中元件的数目n，查表查出滤波器等效梯形网络中各元件g0、g1gn+1数值。在后面的设计中，滤波器的有关量将直接和g0、g1gn+1发生关系。这样滤波器设计的第一步已经完成。,.,105,例一,设计S波段带通滤波器，技术指标：中心频率：f0=3GHz通带:f011.25MHz通带内最大衰减值:L1.5dB欲阻止的频率:f034MHz对欲阻止频率的衰减:L阻28dB假定选择交指式带通滤波器,因f0=3GHz,BWr=22.5/3000=0.0075,查表可知,欲阻止频率所对应的相对频率:阻=2/BWr*(0)/0)=2/0.0075*34/3000=3.31设取切比雪夫式,若L通取为0.1dB，查表可知n=3时，在阻=3.31处,L阻=26dB;,.,106,例一,n=4时，在阻=3.31处,L阻=42dB;若L通取为0.2dB,查表可知，当n=3时，在阻=3.31处,L阻=29dB。为了使滤波器的结构进可能简单，一般在满足要求的情况下，总是选n尽可能小的，根据上面的技术，决定选取：（1）切比雪夫式；（2）通带内最大插损L通=0.2dB；（3）滤波器低频等效梯形网络中所使用元件数目n=3；（4）查表查湖滤波器低频等效梯形网络中各元件的数值为：g0=1，g1=1.2275,g2=1.1525,g3=1.2275,g4=1（5）经过计算可求得通带内的有功损耗L有功=0.99dB，满足使用要求。至此滤波器设计的第一步已经完成。L有功=4.34/(BWrQu)(g0+g1+g2+g3+g4)(dB),Qu:滤波器各谐振腔或谐振器的无载Q值.,.,107,半波长谐振器端耦合式带通滤波器的设计方法,1、确定n、g0、g1、gn、gn+1的值2、计算参量Xi，i+1和归一化缝隙电纳Bi，i+1X01=Xn，n+1=sqrt（BWr/（2g0g1）Xi，i+1=BWr/（sqrt（2gigi+1）对于1i（n-1）归一化缝隙导纳：B=Xi，i+1/（1Xi，i+12），对I=0，1，nBWr=2（2-1）/（2+1）3、求耦合间隙Si，i+1B=0.5tg,0=0/sqrt(r),b是已经板线接地板间距=tg-12b/0lnsh(Si，i+1/2b)-tg-12b/0lnch(Si，i+1/2b),.,108,半波长谐振器端耦合式带通滤波器的设计方法,4、求板线内导体宽度W。在滤波器中所有内导体的宽度W都是一样的。W/b=94.15/Z0sqrt(r)0.441,Z0是板线特性阻抗(50欧姆)5、谐振器内导体的长度LiLi=0/(2)-0.5tg-1(2Bi-1,i)+tg-1(2Bi,i+1)由于杂散电容的存在，谐振腔内导体的长度将短于计算出的Li，可以由实验来最后确定。6、输入线、输出线均为50欧姆同轴线。,.,109,半波长谐振器端耦合式带通滤波器的设计方法,1、确定n、g0、g1、gn、gn+1的值2、计算参量Xi，i+1和归一化缝隙电纳Bi，i+1X01=Xn，n+1=sqrt（BWr/（2g0g1）Xi，i+1=BWr/（sqrt（2gigi+1）对于1i（n-1）BWr=（2-1）/03、/4耦合线间的耦合间距Si，i+1Si,i+1=b/lncth94.15/(sqrt(r)Z0)*Xi,i+1(1-Xi,I+12)/(1-Xi,i+16)4、求各段/4耦合线的宽度Wi，i+1Wi，i+1/b=94.15/(sqrt(r)Z0)/（1+Xi,i+1+Xi,i+12)-1/ln2（1+1/）Ln=94.15/(sqrt(r)Z0)2(1-Xi,i+12)/(1-Xi,I+16),.,110,半波长谐振器端耦合式带通滤波器的设计方法,5、谐振器（内导体）的长度li：每个半波长谐振器包括2个宽度不同的/4线段。由于/4线的开路端存在着杂散电容的影响，其电长度将超过本身实际的尺寸，因此，必须把每个/4线的长度缩短一个l来进行修正。对宽度Wi，i+1的/4线，其长度应为0/4li，i+1：li，i+1=0/（4）cot-1(4C+2Wi，i+1)/(C+2Wi，i+1)*cot(bln4/0)其中:C=bln2/因此:第I个谐振器的长度为:li=(0/4li-1，i)+(0/4li，i+1)由于公式的近似性,所得结果仍需要通过实验修正.,.,111,半波长谐振器端耦合式带通滤波器的设计方法,其他问题:1、同轴线/板线过度：应该根据所选择的频段、b的大小、介质材料来自行确定。2、设计窄带印刷电路滤波器的考虑：由于介质存在，介质损耗降低了腔体的无载Q值Qu，从而加大了滤波器通带内的有功损耗。而且：0=0/sqrt(r),显见df0/f0=sqrt(r)/2*dr/r，即介电常数的变化，或不准确，或各介质的不一致，将使滤波器的中心频率显著移动。可见：设计窄通带印刷电路滤波器时，解决介质材料低损耗、且介质常数稳定是一个关键问题。此外，稳定包括两个意思：（1）不随环境条件而变化；（2）各批生产的介电常数稳定，且r准确。,.,112,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（窄带到中等带宽）,简单原理：板线交叉指状带通滤波器原理如图。其中如手指状伸在两块平行板盖板之间的金属条（编号1-n），其长度为l（近似0/4），是/4谐振器，对于中等带宽以内的交叉指状带通滤波器，编号为0及(n+1)的两条金属条不是谐振器，而是输入、输出线，它们各自有一端和输入、输出同轴线的内导体相联。金属条简称“指”，其厚度为t，而板线上、下板盖板之间的距离为b，两个侧壁间的距离L取0/4，指的长度l可由实验来确定。,这种结构滤波器，在电性能上相当于一组位于两块金属盖板之间的平行耦合线。它适合于设计通带宽度在30%以内的带通滤波器。当带宽进一步加大时，这种滤波器在制造上将难以实现。,.,113,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（窄带到中等带宽）,1、根据对滤波器的要求，确定n、g0、g1、gn、gn+1的值；2、计算滤波器通带内的有功损耗，看是否超过允许值？滤波器通带内中心频率处的有功功耗为：L有功=4.341/(BWrQu)(g1+g2+gn)(dB)BWr=(2-1)/0Qu:为每个谐振腔的无载Q值Qu;n:滤波器低频等效梯形网络中元件的数目;gi:滤波器低频等效梯形网络中各元件的数值;3、确定指的“宽度”Wk和“指间距”Sk,k+1;可以查表,表是根据设计通带宽度BWr在1-10%之间，n=3，4，5，6，7，8，且以空气为介质的板线交叉指状带通滤波器。对最大平滑式滤波器L=3dB，对切比雪夫式滤波器，L=0.01、0.1、0.5（dB）而设计的。也可以计算得到。,.,114,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（窄带到中等带宽）,4、侧壁间距离L=0/4，0为滤波器通带中心频率对应之波长，如果有介质时，为该介质中的波长。5、指长l：滤波器中各指（1、2、n）的长度均为l，它可以由实验方法最后确定。因df0/f0=-dl/l，故df0=-f0dl/l，l可以先取比0/4稍短1、2个毫米，然后用实验方法测出滤波器通带的位置，并利用上面公式，只需要1-2次试验，即可以找到合适的l，使滤波器通带位于预定的位置上。l的近似计算可以参考：C.F.Nicholson:“交叉指状滤波器元件的谐振频率”,IEEETonMTT,Vol.14,1966,No.5,pp.250-251。,.,115,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（窄带到中等带宽）,其它问题：1、减小通带内有功损耗的关键：（1）对窄带滤波器，上下盖板个侧壁配合是否紧密是减小通带内有功损耗的关键。（2）滤波器内表面的光洁度对有功损耗也有明显影响，一般依据波长不同可在6-9。2、调谐螺钉：可在腔（“指”1，2，n）的对面凝入螺纹细牙，且需防止松动。对b=16、t=3.2的滤波器，指对面伸入的一只M5螺钉，在S波段可调频带超过100MHz，对C波段超过500Hz。应适当调整指的长度l，以使刚好调谐时，调谐螺钉进入腔体不太深（例如1-2毫米），以减少有功损耗，并减小温度的影响。,.,116,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（窄带到中等带宽）,3、驻波问题：制造出的滤波器如果发现驻波过大时，可适当减小S01和Sn,n+1的尺寸，即可减小驻波。这可由在W0及Wn+1（输入、输出线）上接上一块谨慎薄片来实现。4、输入、输出线距离两盖板的距离L1，L1取为板线上、下盖板之间的距离即可：L1b此时，两盖板对滤波器的性能影响可忽略不计。,.,117,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（中等带宽到宽通带）,一、简单原理当采用窄带到中等带宽结构形式来设计宽通带的带通滤波器时，当通带宽度增大到30%以上，指间距S01和Sn,n+1以及指1和n的宽度将小到难以实现，为了克服这个困难，只需要把滤波器的输入、输出线（0和n+1线）改成谐振器（其终端成为开路状态），就成为一种适用于设计宽通带的交叉指状带通滤波器。这种形式的滤波器适于设计通带宽度在30%或更大的带通滤波器，如果用它来设计窄通带的饿滤波器时，困难在于这将使线1和n的阻抗太高而难以实现。二、设计方法相对频率：=2/(BWr)(0)/00=(1+2)/2BWr=(21)/01、2：为通带两个边界的频率。,.,118,板线交叉指状式带通滤波器的设计方法（中等带宽到宽通带）,设计步骤：1、根据对滤波器的要求，确定n、g0、g1、gn、gn+1的值；2、计算滤波器通带内的有功损耗，看是否超过允许值？3、计算指的“宽度”Wk和“指间距”Sk,k+1;（原理：先计算每个指的自电容和互电容，根据互电容来计算指宽度和指间距）；4、确定侧壁间距（方法同窄带到中等带宽的设计方法）；5、指长的取法（方法同窄带到中等带宽的设计方法）。三、其它问题：1、驻波问题：制造出来的滤波器如果发现驻波过大时，可适当增大S12和Sn-1，n的数值，可以使滤波器通带内的驻波得到改善。2、其它问题，同窄带到中等带宽的设计方法中的一样。,.,119,板线梳状式带通滤波器的设计方法,一、简单原理板线梳状带通滤波器和交叉指状滤波器的不同之处在于：板线内如手指状伸在上、下盖板间的金属条（谐振器）都是由一边伸出的，并在此边短路（像一把“梳子”），同时在另一端和地板之间有一个集总电容CkS。这些金属条也称为指（如图）。,CkS为各谐振器顶端的集总电容，谐振器的长度是设计者自行确定，一般取0/8或更短些。这里给出的设计方法适用于相对带宽BWr15%的带通滤波器，当BWr进一步增大时，实际滤波器特性的误差将加大。,.,120,板线梳状式带通滤波器的设计方法,.,121,板线梳状式带通滤波器的设计方法,二、设计步骤：1、根据对滤波器的要求，确定n、g0、g1、gn、gn+1的值；2、计算滤波器通带内的有功损耗，看是否超过允许值？3、根据每个指的自电容和互电容及集总电容CkS来计算指的“宽度”Wk和“指间距”Sk,k+1;4、侧壁间距离L谐振器长度l，由于l经常取定为0/8，所以侧壁间距离L0/8；5、谐振器长度l，一般取0/8或者更短。三、其它问题1、集总电容的实现如果CkS不大，一般就可用平行板电容器来实现；如果CkS比较大，用平行板电容器无法实现时，可以在指的顶端做成圆柱形，外面套上一个介,.,122,板线梳状式带通滤波器的设计方法,质薄圆桶，外面再加上一个同心的铜套，调此铜套和指的顶端重叠的深度，即可改变电容CkS。2、调谐螺钉如果必须加调谐螺钉的话，可在上、下盖板上垂直拧入，其它参考交叉指状滤波器。3、关于如何减少通带内的有功损耗，以及同轴线板线的连接问题、减少驻波的方法同交叉指状滤波器。4、输出、输入线距两盖板的距离L1取为板线上、下盖板（接地板）之间的距离b，此时两盖板对滤波器性能的影响可以忽略不计。,.,123,波导和同轴线直接耦合式带通滤波器的设计方法,一、简单原理：每两组金属棒之间是一个谐振腔，其长度略短于g0/2，谐振腔中间有一个调谐螺钉。直接耦合式的滤波器适于百分之几到20%带宽的滤波器，采用金属棒来构成的滤波器，便于加工和调整。在波导中垂直于宽边插入波导的金属棒，是感性电纳，在同轴线插入的金属棒，也是感性电纳。设计的任务就是根据对滤波器的要求，确定出各棒的尺寸以及各个谐振腔的长度l。,.,124,波导和同轴线直接耦合式带通滤波器的设计方法,二、直接耦合式波导带通滤波器的设计1、根据对滤波器的要求，确定n、g0、g1、gn、gn+1的值，滤波器中应有的谐振腔的数目即为n，同时也就选定了滤波器是切比雪夫式还是最大平滑式？以及通带内插入衰减的起伏值L通。2、计算滤波器通带内的有功损耗，看是否超过允许值？仔细地选择L通和n的数值，可以使在满足同样要求的情况下，有一个较佳的结果n较少，且L有功较小。3、计算金属棒的归一化的电抗：X01=sqrtBW/(2g0g1)/1-BW/(2g0g1)Xi,i+1=BW/2sqrt(gigi+1)/1-2BW2/(4gigi+1);i=1,2,.,n-1Xn,n+1=sqrtBW/(2gngn+1)/1-BW/(2gngn+1)BW=(g1g2)/g0归一化电抗值和归一化电纳值互成倒数关系。,.,125,波导和同轴线直接耦合式带通滤波器的设计方法,4、求金属电感棒的数目和直径利用求出的归一化电抗值，根据图表可以确定。5、计算每个谐振腔的长度LiLi=g0/(2)-0.5tg1(2Xi-1,i)+tg1(2Xi,i+1)三、直接耦合式同轴线带通滤波器的设计设计步骤同波导式滤波器，只需将所有的波导波长g换成自由空间波长0即可。四、其它问题：1、调谐螺钉：对波长比较短的波段，由于加工公差的影响，将使各个谐振腔不可能准确的谐振在中心频率上，因此必须用调谐螺钉。在每个腔的中部拧入一个（电容）螺钉，即可起到降低腔体谐振频率的作用，也就是说可以将滤波器的中心频率调往低频方面。,.,126,波导和同轴线直接耦合式带通滤波器的设计方法,2、腔体预先缩短的问题由于调谐螺钉只能降低腔体的谐振频率，故必须先把腔体的长度Li稍微缩短，否则若公差已使腔体谐振频率抵于预定值的话，则用调谐螺钉仍无法得到调谐，腔体长度约缩短2-3%即可。3、结构上金属电感插棒处书电流最强处，因此必须焊接好，且必须进行清洁处理，否则将使滤波器通带内的有功损耗加大。,.,127,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,波导和同轴线/4耦合式带通滤波器结构图如下：,.,128,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,简单原理：每两组金属棒间构成一个谐振腔，其长度为li，由两组金属棒加上中间一段适当长度的波导（或传输线）来构成谐振腔。在两个腔之间是/4耦合线，其长度为li，i+1，li，i+1并不等于g0/4，而是稍短于g0/4。波导中垂直于宽边插入的饿金属棒以及同轴线中贯穿内外导体的饿金属棒都相当于一个并联的感性电纳，每个谐振腔的中部有一个调谐螺钉。/4耦合式滤波器适用于做带宽在百分之几以内的带通滤波器，值得指出的是：当设计窄带滤波器时（例如1%以内），采用/4耦合式比直接耦合式要容易实现的多，但是在其它情况下，则用直接耦合式滤波器更好一些。有关波导和同轴线中的金属棒问题，可以参考直接耦合式滤波器的设计。,.,129,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,一、/4耦合式波导带通滤波器的设计1、确定n、g0、g1、gn、gn+1的数值；对于/4耦合式滤波器，由于实现上的困难，当插入衰减-频率响应曲线取切比雪夫时，限定谐振腔的数目n只能取奇数，n=1，3，5，当谐振腔的数目n为偶数时，若要实现还需要引入理想变压器，问题比较复杂。2、计算通带内的有功损耗，看是否超过允许值？（方法同直接耦合滤波器）；3、确定各个谐振腔的有载Q值Qi；（1）对切比雪夫式滤波器，Qi可根据n、L通的值，查表得到。但是表给出的是Qi,的值，Qi,=QiS，S=2/0-0/2；（2）对最大平滑式滤波器，Qi=Qsin(2i-1)/(2n),i=1,2,.,n式中n=谐振腔的数目;,.,130,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,Q=1/(2/0-0/2)lg-1(L通/10)-11/(2n)L通:通带内插入衰减的起伏值。4、求各个谐振腔有载Q值的修正值Qi,:对中间的谐振腔:Qi,=Qi(0/g)2-/4;对两边的谐振腔:Qi,=Qi(0/g)2-/8;5、求构成有载Q值为Qi,的谐振腔：Q=m+tg-1(2/B)/2sin-12/sqrt(B4+2B2)Q：腔体的有载Q值；B：构成腔体的电纳值；m：腔长指数（对非高功率滤波器，m=1）。,.,131,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,6、求金属棒的数目和直径：可根据求出的金属棒归一化电纳值，求出对应的金属棒的数目和直径（可以利用数据表查）。7、计算各个谐振腔的长度li：li=mig0/2+g0/(2)tg-1(2/Bi);注意:当采用金属电感棒时,Bi为负值,故lig0/28、求耦合段长度：li,i+1=0.5(li+li+1)(mi+mi+12q1)g0/4式中:li、li+1：为耦合段li,i+1相连的两个腔的长度；g0：滤波器通带中心频率对应的波导波长。,.,132,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,二、/4耦合式同轴线带通滤波器的设计设计步骤同波导式滤波器，只需要将所有的波导波长换成自由空间波长即可（若有介质时换成介质中的波长）。三、其它问题1、滤波器的谐振腔中电纳的实现：这里选择金属电感棒来构成滤波器中的一个谐振腔，是因为它加工和调整比较方便，有不少优点。但实际上，也完全可以不用金属电感棒而用其它方式，如电感窗口、电容窗口等来实现。上面的设计步骤和公式，对于构成腔体的电纳Bi无论是用感性的，或者是容性的，都是成立的。在一般非高功率滤波器的情况下，如果Bi用感性的电纳，则“腔长指数”mi=1，而用容性电纳时mi=0。这是因为对感性电纳，Bi是负值，当mi=0时，li是负长度，没有意义，而对容性电纳，因Bi是正值，故mi可取0。,.,133,波导和同轴线的/4耦合式带通滤波器的设计方法,此外，电感插棒是采用一根棒、二根棒或者更多，则要根据算出的导纳或电抗的数值来决定。例如对应于某一电纳B，若采用一根棒而棒的直径太粗时，可采用二根帮或者更多。反之，如果对某一电纳B用两根棒的直径太细而不便加工，可改用有根棒。2、有关调谐螺钉和腔体预先缩短的问题，参考前面直接耦合式滤波器。,.,134,宽带板线分支线带阻滤波器的设计方法,简单原理：用双线表示的带阻滤波器的电路如图，终端开路的各个分支线，导纳为Yi，而长度略短于0/4，它起着类似于低频串联谐振电路的作用，联接线的导纳为Yi，i+1，其长度为0/4。0为阻带中心频率对应的波长。这种形式的滤波器，可以很方便地用板线或者同轴线来实现。设计时的主要任务是根据联接线的对滤波器的要求，确定出各并联开路分支线的导纳以及各联接线的导纳，利用求得的导纳值，求出各有关的尺寸。,.,135,宽带板线分支线带阻滤波器的设计方法,设计步骤：1、确定n、g0、g1、gn、gn+1的数值；根据对滤波器的要求，确定出滤波器低频等效梯形网络中必须使用的分支线的数目n以及各元件的数值g0、g1、gn、gn+1。在这一过程中，滤波器的插入衰减频率响应曲线取什么形式、滤波器通带内插入衰减的起伏值L通也随之确定。2、确定输入线的特性阻抗（导纳）之值；即给定ZA=1/Ya的数值3、根据已经给定的条件（1）是切比雪夫式还是最大平滑式滤波器？（2）n的数值？（2）相对带宽BWr之值？（4）通带内衰减的起伏值L通这四个条件，来查表找出各分支线及联接线应有的特性导纳值Yi及Yi，i+1。4、求分支线及联接线的尺寸（1）对内导体为矩形截面的板线（阻抗可以查表）；,.,136,宽带板线分支线带阻滤波器的设计方法,（2）对内导体为圆形截面的板线,b,d,Z0=138/sqrt(r)lg4b/(d)欧姆,（3）对同轴线Z0=138/sqrt(r)lg(D2/D1)欧姆,5、终端开路分支线的长度li；由于杂散电容的影响，li略短于0/4。其长度需要根据实验来确定。6、联接线的长度li,i+1；全部定为0/4,0为阻带中心频率对应的波长。7、计算分支线及联接线的特性导纳Yi及Yi，i+1。,.,137,窄带板线平行耦合线带阻滤波器的设计,简单原理：在设计窄带滤波器时，各分支线的特性阻抗高达几千欧姆而难以实现，此时可采用/4平行耦合线来代替并联的分支线和联接线，构成如下图所示的带阻滤波器。长度为/4的“平行耦合分支线”，实际上可看成是和板线内导体“主线”相耦合着的一个板线/4谐振器。,.,138,窄带板线平行耦合线带阻滤波器的设计,它是基于下图的等效性：Ci/r=376.7/sqrt(r)Yi,i+1+YisqrtYi(Yi+Yi,i+1)Ci/r=376.7/sqrt(r)sqrtYi(Yi+Yi,i+1)Ci:耦合线的“自电容”;Ci:耦合线的“互电容”;,内导体为矩形截面的对称平行耦合线,/4平行耦合线和双线电路的等效性,.,139,窄带板线平行耦合线带阻滤波器的设计,设计步骤:1、2、3同前，直到计算或求出Yi及Yi，i+1为止。4、计算自电容和互电容；5、计算/4耦合线间的“耦合间距”Si；（查表）6、计算/4耦合线内导体宽度Wi；（查表）7、确定平行耦合分支线的长度，也就是谐振器的长度l；由于杂散电容的影响，li略短于0/4，可以由实验确定。,.,140,窄带板线平行耦合线带阻滤波器的设计,其它问题：当带阻滤波器的阻带中心频率需要十分准确时（例如窄带情况下），可以采用调谐螺钉来进行频率微调。,.,141,窄带波导带阻滤波器的设计,窄带波导带阻滤波器的示意图：,.,142,窄带波导带阻滤波器的设计,输入、输出波导的尺寸为：宽边=a，窄边=b，特性导纳=Y0。其中各分支波导是长L（略短于go/2）的谐振腔。腔的一端以一小孔和主波导相耦合。分支波导的尺寸为：宽边=a，窄边=b，特性导纳=Yb。在它上面可以根据使用要求加上调谐螺钉。Y是分支波导（谐振腔）之间的联接波导的特性导纳，联接波导的长度为3/4go（由相邻两个分支波导谐振腔-耦合孔的中心算起），特性导纳Y1不一定等于Y0。设计时的主要任务是根据对滤波器的要求，求出各个谐振腔的长度Li，以及谐振腔和主波导之间的耦合孔的尺寸。,.,143,窄带波导带阻滤波器的设计,1、确定n、g0、g1、gn、gn+1的数值；2、给定输入、输出波导，以及作为谐振腔的分支波导的尺寸；即给定a、b、b、Yo、Yb各值。3、确定参量bi：i=1、2、,nb1/Y0=1/(g0g1BWr)bi/Y0=(Y1/Y0)2g0/(giBWr)i=偶数时bi/Y0=1/(g0giBWr)i=奇数时(Y1/Y0)2=1/(g0gn+1)n=偶数时Y1=Y0n=奇数时对于切比雪夫式滤波器，当n=偶数时，谐振腔之间联接波导的特性导纳Y1与输入、输出波导的特性导纳Y0不同。,.,144,窄带波导带阻滤波器的设计,4、计算各分支波导谐振腔的有关参量（1）计算谐振腔的长度Li；（2）计算耦合孔的尺寸（长和宽，要求分支波导和主波导耦合孔处的壁厚很薄）；5、耦合孔中心的间距。取定为3/4go。其它问题：1、分支波导和主波导耦合孔处的壁厚应很薄，以使计算出来的耦合孔的尺寸和实际需要比较接近，一般来说，耦合孔的尺寸仍需要通过实验加以修正。2、当阻带的中心频率要求很准确时，可在分支波导（谐振腔）上加入,.,145,窄带波导带阻滤波器的设计,调谐螺钉，螺钉加在分支波导宽边的正中部L/2的地方，它起着降低阻带中心频率的作用，如同在波导带通滤波器中所遇到的那样，可先缩短腔体的长度Li，使腔体的谐振频率先高往高频方面，则引入调谐螺钉后，即可将阻带滤波器阻带中心频率调到预定值上。,.,146,滤波器的几个特殊问题,一、带通滤波器的有功损耗的计算：带通滤波器通带内的有功损耗值，常常是对滤波器的技术要求之一，特别是对窄带带通滤波器，估计通带内的有功损耗，成为一个重要的问题。带通滤波器通带中心频率处的有功损耗可用下面公社计算：L有功=4.34/(BWrQu)(g1+g2+gn)BWr:滤波器的相对带宽(频率比值)Qu:滤波器中各个谐振腔或谐振器的无载Q值(假设它们的Q值相同)gi:滤波器低频等效梯形网络中各元件的数值Qu=(b-t)/21+2(b-t)/0式中:表示趋肤深度,对铜铜=0.066/sqrtf(MHz)毫米b,t尺寸如右图0是波长,b,t,带通滤波器的有功损耗问题,.,147,滤波器的几个特殊问题,根据实际经验,用上面公式值的一半来估算Qu比较接近实际可能达到的情况。应该指出，无论对于波导或者TEM波系统，加工、制造、涂覆以及结构上的合理性，对于实际可能得到的Qu值有明显的影响。二、有功损耗对带通滤波器的性能的影响影响分两部分：（1）使滤波器通带内的总插入衰减加大；（2）使滤波器阻带内的衰减降低当通带内的有功损耗不大时，阻带内的衰减降低也不会很严重，然而当通带内有功损耗很大时，滤波器阻带内的衰减降低也必然会很严重，在此时，设计中应该留有余地。,.,148,滤波器的几个特殊问题,带阻滤波器阻带内最大的衰减值,由于有功损耗的存在，将使阻带内衰减的最大值并非无穷大，而降低到某一有限值，可由下式计算：(Max.)L阻=20nlg(BWrQu)+20(lgg1+lgg2+lggn)+10lg(g0gn1)/4(dB)(Max.)L阻:带阻滤波器阻带内最大的衰减值;n:滤波器中谐振腔或谐振器的数目;BWr:相对带宽(频率比值)Qu:滤波器中各个谐振腔或谐振器的无载Q值;gi:滤波器中低频等效梯形网络中各元件的数值。,.,149,滤波器的几个特殊问题,滤波器的相移和时延特性,定义归一化群时延：d=d/d，：相移、：频率一、带通滤波器群时延：T=d/(2-1)(1+02/2)(秒)如果要求带通滤波器的某频率处的相移和群时延T时，先计算出对应的频率变数：=0/(2-1)(/0-0/)，然后可以查表查出相移和归一化的群时延d，最后根据上面公式求出带通滤波器本身真正的群时延T。二、低通滤波器频率变数：=-1/0/(2-1)(/0-0/)群时延:T=d/(2-1)(1+02/2)/2,.,1