滤波器设计报告.doc

腔体交指滤波器的应用研究杨 斐摘要：本文主要介绍了一种腔体交指滤波器的设计方法，介绍了设计过程中应注意的问题，例如低通滤波器原型的选择，结构的选择与论证，阐述了多种方案，并分析了他们各自的优越性和缺点，提供了一套完整的滤波器设计方案。 关键词： 腔体 交指 微波滤波器 谐振一、 概述滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，可利用它来分开或者合成频率等，如在变频器、倍频器及多路通信中的应用。可以说从超长波经微波到光波以上的所有电磁波端，几乎都需要滤波器。在当今社会，随着微波技术的突飞猛进的发展，微波滤波器已成为一个活跃的分支，它的形式也是各种各样。作为微波滤波器的一种，腔体交指滤波器的应用与发展也较为广泛，不管是军品还是民品，几乎都要用到它，但是我们用的滤波器的来源大部分是进口的，也有部分国产的，国外的产品性能指标各方面都比国内的好许多，但是价格方面过于昂贵，所以我们的目的就是对国内的滤波器产品进行改进，使它在性能指标方面向国外的产品靠近，价位上尽量降低成本，研制出高品质、低价位的滤波器。二、 特点微波腔体滤波器之所以能被广泛的应用，主要的原因是因为它有着良好的带通滤波特性，而且它结构紧凑、结实；由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，且容易制造；谐振杆的长近似约为 (1) 入0，故第二通带在0上，其间不会有寄生响应，而半波长平行耦合滤波器，只要稍有失调就会在0处产生窄的寄生通带；它在0和0等于0的偶数倍上，具有高的衰减极点，因而阻带和截止频率都比较大。它用的是较粗谐振杆作自行支撑而不用介质，谐振杆既可做成矩形杆也可做成圆杆，还可用集总电容加载的方法来减小体积和增加阻带宽度，而且它适用于各种带宽和各种精度的设计。三、 结构的选择腔体交指滤波器的结构形式有很多种，我们在此仅对主要的两种形式作进行分析。、终端开路形式它的结构是在两个平行的接地板之间放入两个交叉的矩形杆或者圆柱杆的平行的耦合线阵，杆的两端都是开路，长约(1) 入0。，载模，这种结构从杆到杆n都用作谐振器，所以对于n个电抗原件的的低通原型，只需要n个杆就能够实现，但是这种结构给出的设计方法，只适用于宽带的滤波器设计，不易用于窄带滤波器的设计。而且这种结构的滤波器，它的谐振杆两端都是开路，不好固定，所以不适于生产制造。、终端短路形式与终端开路形式相比较，它的谐振杆的一端是开路，一端是短路（即和接地板接连在一起），长约(1) 入0，载模，杆到杆n都用作谐振器，而杆和杆n只起阻抗变换作用，因而对于n个电抗原件的低通原型，需要n个谐振杆才能实现，这种结构得到的设计公式，只用于窄带或者是中等宽带（<30%）的滤波器其设计最为实用，对于宽带则不易实现。综合以上两种结构的分析，为了适用我们的设计（窄带带通滤波器），便于生产加工，我们采用终端短路形式的结构（谐振杆一般有圆杆和矩形杆两种，便于加工生产，我们采用矩形杆）。四、 方案的选择、镜象法设计滤波器的原理 分析电路的镜象观点是一种波的观点，与通常分析传输线所采用的波的观点大体上是一致的。定式和导出型滤波器是镜象观点设计滤波器的经典例子，在此不作详细的介绍，主要是因为镜象法的设计过程中，单节滤波器的镜象阻抗和衰减函数，是利用完全一样的滤波器节连成无穷长链来定义的，用有限个以电阻为终端的无耗滤波器网络，只能在孤立的几个频率上满足镜象阻抗的匹配，并且此反射效应会引起通带内有相当大的衰减，还会使阻带的边缘上产生畸形，而且还存在终端负载与镜象阻抗的匹配的问题，给设计和计算带来很大的不方便，所以在这里我们不采用这种方法来设计滤波器。、用网络综合法获得低通原型滤波器集总元件低通原型滤波器是网络综合法设计滤波器的基础，滤波器的传输特性大都根据集总元件低通原型特性推导出来的，使滤波器的设计得以简化，精度得以提高。下面介绍两种最常见的低通原型滤波器。、最平坦型低通原型滤波器最平坦响应的数学表达式：（）10Log（）（分贝）式中：10（）由于上式中括号内的量，在时，具有最大可能数目的零导数，故有“最平坦”之称。对最平坦滤波器而言，常选分贝，则就是它的分贝通带宽度（简称“带宽”）。对于两边都接有电阻的的最平坦低通原型滤波器，当分贝时，其归一元件值可用下式来计算：sin（）（，）、切比雪夫低通原型滤波器切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性的数学表达式如下：（）10Logcoscos（）（）10Logcoshcosh（）10（）式中是通带内衰减最大值，是电路的电抗元件数目，若为偶数，则响应内的频率有个，若为奇数，则的频率有（）个。对于两端都接有电阻的双终端切比雪夫低通原型滤波器，设其带内波纹为，则其他各元件数值可用下式来计算：（，）（为奇数）tanh（ß）（为偶数）式中ßlncoth（）sinh（ß）（）（，）sin（）（，）把切比雪夫低通原型响应与最平坦低通原型响应相比较，对于同一通带衰减和电抗元件数目，前者的选择性要比后者好，故一般采用前者作为低通原型。五、 尺寸的计算首先根据所要求的技术指标，通过公式ln（a/）/cosh-1（1/a）a=10LAs/20=（10Lar/10-1）1/21=tan（f1/2f0）a=tan（fa/2f0）计算滤波器的阶数，再通过切比雪夫低通原型公式计算各元件归一值。有了低通原型的元件值后，就可根据以下公式计算滤波器的尺寸；由于这种滤波器的设计公式是近似的，通常滤波器的带宽要比设计中带宽小百分之六到七，所以我们在设计之前将带宽增大百分之六到七，以免设计研制完毕后，实际带宽变窄。计算 1=f1/2f0=（/2）（1-W/2） J1/YA=1/（1）1/2 Jk，k+1/YA=1/（kk+1）1/2 （k=1n-1） Jn，n+1/YA=1/（nn+1）1/2 Nk，k+1 =（ Jk，k+1/YA）2+1/4tg211/2 （k=1n-1）选定比例因子h选定比例因子的原则是：一是使各谐振器的阻抗水平适当，间隙适中，二是使谐振器的Q值最佳，一般选特性阻抗为70欧左右时Q值最高，这时可得到2Ck-1，k/+Ck/+2Ck,k+1/5.4 k=n/2 n为偶数 k=（n+1）/2 n为奇数M1= YA （J1/YA）h1/2+1Mn= YA （Jn，n+1/YA）h1/2+1计算各杆的归一单位长自电容 C0/=（376.7/r1/2）（2YA -M1） C1/=（376.7/r1/2） YA -M1+h YA tg1+（J1/YA）2+ N12- J12/YA Ck/=（376.7/r1/2）h YA Nk-1，k+ Nk，k+1 - Jk-1，k / YA -Jk，k+1/ YA （k=1n-1）Cn/=（376.7/r1/2） YA - Mn +h YA tg1/2+（Jn，n+1/YA）2+ Nn-1，n Jn-1，n/ YACn+1/=（376.7/r1/2）（2YA Mn）计算两相邻杆间归一单位长互电容C01/=（376.7/r1/2）（M1YA） Ck，k+1/=（376.7/r1/2）h YA（Jk，k+1/ YA） （k=1n-1） Cn，n+1/=（376.7/r1/2）（MnYA）用带状线实现 根据各分布电容，选定带状线的接地板间距，中心矩形导带的厚度，有耦合带状线的设计曲线，即可求出交指型结构的各矩形杆的宽度和杆间距。两短路壁之间的距离是(1) 入0，谐振杆的长度根据实际情况进行调整（略缩短于入。/4）。六、 调试结果及遇到的问题分析 通过上面计算结果加工出的滤波器，经过调试已基本上达到设计要求（测试结果见附录），但还存在一些问题： 中心频率的偏移，这需要对谐振杆的长度进行调整，因为中心频率主要由谐振杆的长度决定。 通带波纹较大，这就需要加一些调谐螺钉来调节，主要是对两个耦合边杆进行调协，还有抽头方式对通带波纹也有较大的影响，这里我们选用直接引出的形式，基本能达到设计要求。七、 结束语 通过这次对腔体交指滤波器的应用研究，使我对腔体交指滤波器更深的认识，也学习了更多的滤波器方面的知识，如果条件允许的话，我会继续做这项研究，争取研制出高性能、高指标、低价位的腔体交指滤波器。 八、 致谢 感谢陈福媛和各位领导及同事对我工作的支持，我的工作才能顺利的完成。九、 参考文献微波网络及其应用 西北电讯工程学院 吴万春 梁昌洪现代微波滤波器的结构与设计 上下册 科学出版社 甘本祓 吴万春微波滤波器阻抗匹配网络与耦合结构 科技情报通讯编译室十、 附录