第七章+滤波器3

1、1 矩形系数：阻带带宽与通带带宽的比值矩形系数：阻带带宽与通带带宽的比值 传输零点：传输衰减极大以致无能量通过传输零点：传输衰减极大以致无能量通过 传输极点：传输无衰减的频点传输极点：传输无衰减的频点 电耦合：电场能量耦合为主电耦合：电场能量耦合为主 磁耦合：磁场能量耦合为主磁耦合：磁场能量耦合为主 混合耦合：电耦合与磁耦合有一定比例混合耦合：电耦合与磁耦合有一定比例 交叉耦合：结构上一个谐振器同时与其他两个或交叉耦合：结构上一个谐振器同时与其他两个或 多个谐多个谐 振器之间引入耦合振器之间引入耦合 2 图图 1 1 椭圆函数低通原型电路结构椭圆函数低通原型电路结构 1 n g g0g1 g2

2、 gn gn1gn1或gngn1 (n为偶数)(n为奇数) (a) g1 g0 g2 gn1 2 g gn1gn或 gn gn1 1 n g (b) 2 g (n为偶数)(n为奇数) 1n g 1n g 3 图图 2 2 椭圆函数低通原型的衰减曲线椭圆函数低通原型的衰减曲线 4 n n为滤波器支路个数，为滤波器支路个数，L LAr Ar为通带内最大衰减 为通带内最大衰减 1 s k n n为滤波器支路个数，为滤波器支路个数，L LAr Ar为通带内最大衰减 为通带内最大衰减 1 s k 5 每个并联谐振电路提供一个无限衰减极点每个并联谐振电路提供一个无限衰减极点 6 镜像阻抗 镜像阻抗Zi1和

3、Zi2定义为 7 8 耦合线滤波器的设计 一段平行耦合线的等效电路 其ABCD矩阵为 导纳倒相器可由四分之一波长，特征导纳为J的传输线得到 9 镜像阻抗 传播常数 导出耦合线带通滤波器设计公式的等效电路的演化 N+1条耦合线带通滤波器的布局 10 每条耦合线段的等效电路 导纳倒相器的等效电路 长为2的传输线的等效电路 11 N=2时按上页后两图的等效结果 N=2的带通滤波器的集中元件电路 12 设计公式 为相对带宽 奇、偶模特性阻抗 13 例： 设计一耦合线带通滤波器，N=3，波纹0.5dB，中心频率2GHz，带 宽10%，Z0=50。 14 耦合谐振器滤波器的设计 短截线和各短截线之间传输线

4、都为四分之一波长 图a短截线为开路，等效带阻滤波器 图b短截线为短路，等效带通滤波器 短截线和各短截线之间传输线都为四分之一波长 图a短截线为开路，等效带阻滤波器 图b短截线为短路，等效带通滤波器 15 耦合谐振器滤波器的设计 用谐振器和导纳倒相器的等效滤波电路 等效的集中元件带阻滤波器 16 设计公式 应用开路短截线谐振器的带阻滤波器的短截线特征阻抗 应用短路短截线谐振器的带通滤波器的短截线特征阻抗 为相对带宽，Z0为串联线特征阻抗 设计公式设计公式 为相对带宽，Z0为串联线特征阻抗 设计公式 17 例： 设计一个使用三个四分之一波长开路短截线的带阻滤波器，波纹 0.5dB，中心频率2GHz

5、，带宽15%，Z0=50。 18 串联线与并联线均为四分之一波长串联线与并联线均为四分之一波长 19 相较于前一页，并联线用二分之一开路线替代，相较于前一页，并联线用二分之一开路线替代， 可省去接地的麻烦可省去接地的麻烦 20 图示非阶跃阻抗线滤波器，是短截线阻抗过小，线宽图示非阶跃阻抗线滤波器，是短截线阻抗过小，线宽 过大时用阻抗加倍、线宽减小的两段短截线并联代替过大时用阻抗加倍、线宽减小的两段短截线并联代替 21 22 23 所有近似设计方程的精度都随着设计带宽的所有近似设计方程的精度都随着设计带宽的 增加而恶化，其主要表现有：增加而恶化，其主要表现有： （1 1）通带内电压驻波比的波动超

6、过设计值，特别）通带内电压驻波比的波动超过设计值，特别 是在通带边频附近；是在通带边频附近； （2 2）实际制作的滤波器的带宽以无法预知的状况）实际制作的滤波器的带宽以无法预知的状况 偏离指定的设计带宽。偏离指定的设计带宽。 24 本节的设计方法消除了上述的第（本节的设计方法消除了上述的第（2 2）个困）个困 难，使得实际的和设计的带宽基本相同，并且难，使得实际的和设计的带宽基本相同，并且 在很大程度上使电压驻波比的波动也很接近于在很大程度上使电压驻波比的波动也很接近于 设计的要求。设计的要求。 25 在微带带通滤波器的近似设计方法中，如果把集在微带带通滤波器的近似设计方法中，如果把集 中元件

7、原型的元件值在中心频率上用微波元件实现，中元件原型的元件值在中心频率上用微波元件实现， 则得到窄带近似设计方程。如果在中心频率和带边频则得到窄带近似设计方程。如果在中心频率和带边频 率上用微波元件实现，则得到宽带近似设计方程。率上用微波元件实现，则得到宽带近似设计方程。 26 27 28 29 30 31 （1 1）根据滤波器的通带和阻带的衰减指标，选择出）根据滤波器的通带和阻带的衰减指标，选择出 适当的归一化低通原型。适当的归一化低通原型。 （2 2）计算表）计算表1 1所列各参数。所列各参数。 （3 3）计算表）计算表2 2的阻抗矩阵元素和各耦合线段的偶模的阻抗矩阵元素和各耦合线段的偶模

8、及奇模阻抗。及奇模阻抗。 32 （4 4）根据偶、奇模阻抗决定耦合微带线的尺寸（宽度）根据偶、奇模阻抗决定耦合微带线的尺寸（宽度 和间距）。和间距）。 （5 5）按式）按式1 1决定耦合区的长度。决定耦合区的长度。 （6 6）根据微带线开路端的边缘电容，对上述耦合区的）根据微带线开路端的边缘电容，对上述耦合区的 长度进行修正。长度进行修正。 33 耦合区（段）的长度的标称值为四分之一波导波耦合区（段）的长度的标称值为四分之一波导波 长。在耦合微带线的情况下，由于偶模和奇模的相速长。在耦合微带线的情况下，由于偶模和奇模的相速 不同，因此在选择耦合区的长度时要选用二者（四分不同，因此在选择耦合区的

9、长度时要选用二者（四分 之一偶模波长和四分之一奇模波长）之间的某一个数之一偶模波长和四分之一奇模波长）之间的某一个数 值：值： 式中：式中：f f0 0是通带中心频率，是通带中心频率， 0 0是其对应的自由空间是其对应的自由空间 波长，波长，c c0 0是自由空间光速。是自由空间光速。 4 4/ 0 00 VfVcl （1） 34 其中其中 式中式中 ( (v vp p/c)/c)e e和和( (v vp p/c)/c)o o分别是每个耦合段的偶模和奇分别是每个耦合段的偶模和奇 模的相对相速，可由公式算出和用图表查出。模的相对相速，可由公式算出和用图表查出。 一般限一般限y y 0.25 0.

10、25，可给出较好的结果。，可给出较好的结果。 在设计时，还应当考虑半波长开路谐振器在两个开路在设计时，还应当考虑半波长开路谐振器在两个开路 端上的边缘电容。对这个边缘电容，可以减小谐振器端上的边缘电容。对这个边缘电容，可以减小谐振器 的长度来补偿。的长度来补偿。 10 ,/1/ycvyycvV o p e p （2） 35 设计微波带通滤波器，其指标是：设计微波带通滤波器，其指标是： 中心频率：中心频率：f0 = 5.0千兆赫（千兆赫（GHz） 通带宽度：相对带宽通带宽度：相对带宽 ，或，或 MHz 通带衰减：等于或小于通带衰减：等于或小于0.1dB。 阻带衰减：在阻带衰减：在4.75GHz频

11、率上至少有频率上至少有20dB的衰减。的衰减。 端接条件：两端均为端接条件：两端均为50 的微带线（的微带线（ZA = ZB = 50 ） %5 0 12 f ff 250 12 ff 36 （1）确定低通原型：选用）确定低通原型：选用0.1分贝波纹的切比雪夫原型。分贝波纹的切比雪夫原型。 该低通原型滤波器的阶次该低通原型滤波器的阶次n，可以利用变换式，可以利用变换式 在本例情况下，在本例情况下，BW = 0.25GHz，f 0 = 5GHz， ，f = 4.75GHz，由此得到，由此得到 查出，查出，n = 4。归一化低通原型的元件值为：。归一化低通原型的元件值为： g0 = 1，g1 =

12、1.1088，g2 = 1.3061， g3 = 1.7703，g4 = 0.8180，g5 = 1.3554 f f f f BW f 0 0 0 1 2 1 37 （2）计算表）计算表1所列各参数：所列各参数： 75.87 2 05. 0 1 2 1 74.1275.87tan 2 1 l 948. 0 088. 11 1 1 G 948. 0 3554. 1818. 0 1 5 G 83. 0 3061. 11088. 1 1 2 G658. 0 7703. 13061. 1 1 3 G 83. 0 818. 07703. 1 1 4 G 38 滤波器采用对称的耦合微带线结构，因此选择滤

13、波器采用对称的耦合微带线结构，因此选择 0733. 0 64.13 1 74.12948. 0 1 2 1 2 1 lGh 1 5 11 1 11 AA 257. 0948. 00733. 0 5 12 1 12 AA 1 5 22 1 22 AA 934. 0 64.13 74.12 4 11 3 11 2 11 AAA 0608. 075.87sin83. 0 64.13 1 4 12 2 12 AA 0482. 075.87sin658. 0 64.13 1 3 12 A 39 （3）计算表）计算表2中阻抗矩阵元素和偶、奇模阻抗：中阻抗矩阵元素和偶、奇模阻抗： 1 5 22 1 22 5

14、 11 1 11 ZZZZ 257. 0 5 12 1 12 ZZ 934. 0 4 11 3 11 2 11 ZZZ 0608. 0 4 12 2 12 ZZ 0482. 0 3 12 Z 40 各耦合段的偶、奇模阻抗的计算结果列于表各耦合段的偶、奇模阻抗的计算结果列于表3中。中。 表表3 各耦合段的偶、奇模阻抗计算值各耦合段的偶、奇模阻抗计算值 41 选用选用 r = 8.8的陶瓷材料作为微带滤波器的基片，其厚度的陶瓷材料作为微带滤波器的基片，其厚度h = 0.7毫米，毫米， 根据表根据表3的数据，可计算出各耦合微带线的尺寸，如表的数据，可计算出各耦合微带线的尺寸，如表4。 42 （5）决

15、定每个耦合区的长度：首先需计算每个耦合区）决定每个耦合区的长度：首先需计算每个耦合区 的偶、奇模相速，然后根据式（的偶、奇模相速，然后根据式（2）计算）计算V值，最后按值，最后按 式（式（1）算出每个耦合区的标称长度。每个耦合区的偶、）算出每个耦合区的标称长度。每个耦合区的偶、 奇相速可以利用下图近似估计出来。奇相速可以利用下图近似估计出来。 43 耦合区的奇偶模相速 44 （6）边缘电容的修正：具有开路终端的每条微带线应）边缘电容的修正：具有开路终端的每条微带线应 减小的长度减小的长度 lk1,k，可从（，可从（3）算出。对于第）算出。对于第1和和5耦合耦合 区，区， l01 = l45 =

16、 0.36h = 0.252毫米，其余耦合区长度毫米，其余耦合区长度 的修正量为的修正量为 l12 = l23 = l34 = 0.38h = 0.266毫米。毫米。 e为微带线有效介电常数。为微带线有效介电常数。 0.3/0.264 0.412 0.258/0.8 e e lw h hw h （3） 45 由此得所设计的半由此得所设计的半 波长开路谐振器平波长开路谐振器平 行耦合滤波器的结行耦合滤波器的结 构尺寸的汇总表，构尺寸的汇总表， 其标注如右图。其标注如右图。 46 实际制成的该滤波器的实物照片如图实际制成的该滤波器的实物照片如图5-31所示。所示。 图图5-31 例示的半波长谐振器

17、平行耦合滤波器的实物照片例示的半波长谐振器平行耦合滤波器的实物照片 47 测试频率特性。测试频率特性。 48 半波长微带谐振器平行耦合滤波器的优点是半波长微带谐振器平行耦合滤波器的优点是 结构简单，制作容易，但频率较低时占用基片面结构简单，制作容易，但频率较低时占用基片面 积大。在低频应用时，缩小基片占用面积的途径积大。在低频应用时，缩小基片占用面积的途径 有二，一是用高介电系数的基片，二是把平行耦有二，一是用高介电系数的基片，二是把平行耦 合结构改为图示发夹型结构。合结构改为图示发夹型结构。 49 5级切比雪夫型滤波器，工作频率级切比雪夫型滤波器，工作频率905MHz，基片，基片 厚度厚度2

18、mm，相对介电系数为，相对介电系数为80，损耗正切约，损耗正切约0.0002。 在在40MHz带宽范围内，插入损耗、反射损耗分别优于带宽范围内，插入损耗、反射损耗分别优于 3dB和和17dB。 50 发夹型滤波器发夹型滤波器 混合的发夹型和半波长平行耦合滤波器混合的发夹型和半波长平行耦合滤波器 51 发夹型滤波器每一个发夹线内部有耦合；全发夹型发夹型滤波器每一个发夹线内部有耦合；全发夹型 滤波器容易激起比通带中心频率高得不多的表面波，滤波器容易激起比通带中心频率高得不多的表面波， 产生另外的寄生通带，因此一般采用发夹线和平行耦产生另外的寄生通带，因此一般采用发夹线和平行耦 合线混合式的滤波器合线混合式的滤波器 52 介质谐振器滤波器介质谐振器滤波器 制作高性能高稳定的窄带滤波器，常用于带通制作高性能高稳定的窄带滤波器，常用于带通 和带阻滤波器。介质的和带阻滤波器。介质的Q Q值可达值可达50