《微波滤波器上》PPT课件.ppt

微波滤波器(上）,微波滤波器,（一）引言 微波滤波器是一种具有频率选择功能的微波元件，它使得在规定频率范围内得信号得以传输或被阻隔，从而在多频率得工作系统中，分离出有用信号，抑制掉不需要的其它信号。滤波器可根据功率衰减的频率特性来分类，微波滤波器可分为微波低通滤波器、微波带通滤波器、微波高通滤波器、微波带阻滤波器。也可按照所用的传输线和谐振腔体来分类，它可分为波导滤波器、同轴滤波器、微带滤波器、介质谐振器滤波器、鳍线滤波器等。,微波滤波器是一类无耗双端口网络，其传输特性可用传输函数表示为；,式中 是频率 的函数，其间的关系称为滤波器的幅度频率响应，相移 也是频率的函数，其间的关系称为滤波器的相移频率响应。一般来说微波滤波器主要研究其幅度响应，只有在特促的情况下，才考虑其相移响应。微波滤波器的设计方法最常用的方法有“影像参数法”和“网络综合法”两大类，“影像参数法”是以影像衰减为基础，,先设计一个基本单元，然后用相同的单元来组合，以期得到预期的技术指标。这个方法是个较老的方法，不能得到最佳的设计。“网络综合法”是以工作衰减为基础，先综合出低通原型滤波器，然后经过频率变换，以得到所需的低通、带通、高通和带阻滤波器。这种方法所需元件最少，能得到最佳设计。对于网络综合法，现有丰富的资料可供设计时应用，并且设计方法简单，精确，可以获得性能良好的微波滤波器。我们先介绍微波滤波器的低通原型，然后介绍频率变换，最后介绍微波滤波器的设计和微波结构的实现。,微波滤波器的主要技术指标是：1、通带边界频率和通带最大衰减；2、阻带边界频率和阻带最小衰减；3、通带最大输入驻波系数；4、寄生通带；5、带内相移和时延。,微波滤波器,（二）微波滤波器的基本理论 微波滤波器低通原型逼近函数的建立,巴特沃斯逼近切比雪夫逼近椭圆函数逼近,由 求出 再求出。用 综合出低通原型。频率变换；将低通原型经频率变换变换为带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器。最后利用微波传输线实现。滤波器综合理论日趋成熟，目前有大量的图表、曲线可供使用。其难点在于微波实现，只要我们根据理论分析给出初值，利用商业软件进行优化设计，可以得到较好的结果。,（三）最平坦型微波低通滤波器的设计 已知；截止频率 带内最小插入损耗 带外频率为 带外衰减,根据带内最小插入损耗计算波纹系数；,根据带外衰减计算低通原型元件数；,根据波纹系数和元件数求出低通原型元件值（可查表，也可按照下列公式计算。,在大多数情况下，源阻抗和负载阻抗都是匹配的，也就是归一化阻抗为1，所以切比雪夫原型的元件数一般取为奇数。元件值确定后就可以获得如下两种形式的等效电路。（以n=5为例）,在大多数情况下，源阻抗和负载阻抗都是匹配的，也就是归一化阻抗为1，所以切比雪夫原型的元件数一般取为奇数。元件值确定后就可以获得如下两种形式的等效电路。（以n=5为例）,在大多数情况下，源阻抗和负载阻抗都是匹配的，也就是归一化阻抗为1，所以最平坦原型的元件数一般取为奇数。元件值确定后就可以获得如下两种形式的等效电路。（以n=5为例）,（四）切比雪夫型微波低通滤波器的设计 已知；截止频率 带内最小插入损耗 带外频率为 带外衰减,根据带内最小插入损耗计算波纹系数；,（四）切比雪夫型微波低通滤波器的设计,根据带外衰减计算低通原型元件数；,根据波纹系数和元件数求出低通原型元件值（可查表，也可按照下列公式计算。,式中：,n为奇数,n为偶数,在大多数情况下，源阻抗和负载阻抗都是匹配的，也就是归一化阻抗为1，所以切比雪夫原型的元件数一般取为奇数。元件值确定后就可以获得如下两种形式的等效电路。（以n=5为例）,低通滤波器的实现 低通滤波器的实现方法很多，在射频频段可以用集总参数元件来实现，在微波波段可用高低阻抗线来实现，也可以用开路短截线和短路短截线来实现。下面用一个例子来说明微波实现的方法。例1；设计一个微带低通滤波器，其技术指标为；截止频率为2GHz，通带内最大衰减为0.1dB，在6GHz上阻带衰减大于20dB，输入输出特性阻抗为50欧姆。,实现方法一；解：（1）确定低通原型计算波纹系数计算元件个数,确定低通原型元件值,低通原型的电路选择为电感输入原型,（2）反归一计算各元件的电抗和电纳值,（3）选择微带基片,50欧姆微带线其线宽为,（4）计算电感线和电容线电感线选择高阻抗线其特性阻抗为,电容线选择低阻抗线其特性阻抗为,微波滤波器,实现方法二；解：采用阶跃阻抗传输线实现低通滤波器。,选择微带基片,50欧姆微带线其线宽为,计算电感线和电容线电感线选择高阻抗线其特性阻抗为,电容线选择低阻抗线其特性阻抗为,实现方法三；解：采用短截传输线实现低通滤波器。,根据科洛达恒等关系,（五）对偶电路今有两个单端口网络如图所示，网络a的输入阻抗为，网络b的输入阻抗为，且满足,则称此两个单端口网络互为对偶网络。或者说网络a 是网络b 的对偶网络，网络b 是网络a 的对偶网络。,在此情况下两个网络的输入阻抗互为倒数，故也称此两个网络互为倒量网络。,由此可见两个对偶网络的反射系数大小相等，相位相差180度，由此可得出如下结论；终端接有负载的双端口网络，可以把它看成单端口网络，如果有这样的两个对偶电路，由于他们的反射系数大小相等，相位相反，但其工作衰减相同，,传输特性一样，所以这两个电路就其传输特性而言它们是等效的。a）阻抗与导纳互为对偶电路,b）阻抗串联电路与导纳并联电路互为对偶电路,c）梯形网络的对偶电路,d)四分之一波长阻抗变换器与四分之一波长导纳变换器互为对偶电路,e)K变换器与J变换器互为对偶电路,应用对偶电路的概念，可以得出复杂电路的对偶，如下图所示电路,（六）采用K变换器和J变换器的只含有一种电抗元件的低通原型 前面介绍了 LC 梯型网络的低通原型，把它转换为高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，经过这样变换的滤波器在微波波段是很难实现的。原因之一是许多电路元件集聚在一个点上，结构上很难实现；原因之二是变换后的 LC 元件值相差较大，特别是串联电路和并联电路中的电感，可能差二个数量级以上，即使在微波低段，也不容易实现。为了,（六）采用K变换器和J变换器的低通原型,解决这个问题，我们通常把 LC 低通原型变换成只含有一种电抗元件（电容元件或电感元件）的低通原型，变换方法是在 LC 梯型网络低通原型的各元件间都加入K 变换器或J 变换器，以便把电容变为电感或把电感变为电容，最后的到只含有一种电抗元件的低通原型。K 变换器的K 值是归一值（J 也是归一值），它只改变电路结构，不改变电路阻抗水平。可令K=1。下面我们用电路方框图来说明。也可以使得K不等于1，阻抗水平按比例变化。,（六）采用K变换器和J变换器的低通原型,（六）采用K变换器和J变换器的低通原型,（六）采用K变换器和J变换器的低通原型,（七）频率变换前面我们讨论了低通原型滤波器及其衰减特性。如果我们将这些低通的频率变量（或归一化频率分量）经过适当的变换，就有可能得到以新的频率 为变量的衰减特性，用它来表示高通、带通和带阻等类型的滤波器。这种方法叫做频率变换，和 间的关系式称为频率变换式。在频率变换过程中，由于只在横坐标的自变量 和 间进行变换，故对纵坐标的衰减量无影响。当低通原型滤波器的特性变换成其它类型滤波器特性时，幅度相应应保持不变。,（七）频率变换,a）由低通到高通的频率变换,（七）频率变换,由低通到高通的频率变换式,由低通到高通的频率变换式可以看出；低通原型的电感变换为高通滤波器中的电容，而低通原型的电容变换为高通滤波器中的电感。,（七）频率变换,（七）频率变换,b）由低通到带通的频率变换,（七）频率变换,由低通到高通的频率变换式,由低通到带通的频率变换式可以看出；低通原型的电感变换为带通滤波器中的串联谐振电路，而低通原型的电容变换为带通滤波器中的并联谐振电路。,（七）频率变换,（七）频率变换,c）由低通到带阻的频率变换,由低通到带阻的频率变换式,由低通到带阻的频率变换式可以看出；低通原型的电感变换为带阻滤波器中的并联谐振电路，而低通原型的电容变换为带阻滤波器中的串联谐振电路。,（七）频率变换,（七）频率变换,（八）带通滤波器的设计前面我们讨论了低通原型滤波器及其衰减特性；只含一种电抗元件的低通原型滤波器；频率变换等概念。下面我们以具体的例子来说明带通滤波器的设计方法和过程。A)并联电感耦合滤波器的设计例1 设计一个波导带通滤波器，要求在 通带内插入损耗小于0.5dB，在带外频率 和 其衰减大于30dB.,（八）带通滤波器的设计,解；1、选择矩形波导；根据给定的频率我们选择 其尺寸该波导波长为；中心频率及边频所对应的波导波长,（八）带通滤波器的设计,2、计算低通原型；相对带宽为；,（八）带通滤波器的设计,3、变换为含有一种电抗元件的低通原型,（八）带通滤波器的设计,4、频率变换变换为带通滤波器,（八）带通滤波器的设计,5、串联谐振器采用二分之一波长谐振器，其电抗斜率参数和传输线长度为,6、K变换器采用半集中参数等效电路来实现,（八）带通滤波器的设计,7、考虑到K变换器的影响，谐振器的长度为；,（八）带通滤波器的设计,8、设计电感模片的尺寸；根据电感模片的计算公式，可以计算出电感模片的几何尺寸,根据公式或查表可得,（八）带通滤波器的设计,例2 设计一个波导带通滤波器，要求与例1完全相同，我们采用波导纵向电感模片来实现。解；前面几步与例1完全相同，本例题波导纵向模片等效一个K变换器，它们的等效关系为,其参数等效关系为,其设计结果当波导纵向模片的厚度为2mm时,上图是设计结果的频响特性，经过优化其结果如下图所示。,当波导纵向模片的厚度为0.5mm时，其设计结果是,上图是设计结果的频响特性，经过优化其结果如下图所示,总结：并联电感耦合滤波器的设计公式 1）根据给定的滤波器的技术参数选择电容输入的低通原型；2)采用K变换器将低通原型转换为只含有一种电抗元件的低通原型；3）由低通到带通的近似频率变换式；,4）二分之一波长串联谐振器电抗斜率参数；,5）K 变换器的阻抗；,6）并联感抗与谐振器的长度（即两个相邻电感间的距离；,Note!采用K变换器，变换后是串联谐振电路。采用J变换器变换后是并联谐振电路。采用此方法设计的滤波器是窄带滤波器，相对带宽10以下。,此类型滤波器的耦合结构也可以采用小孔耦合模片，设计方法采用外界Q值和耦合系数k比较方便。此时需要用电磁场理论计算小孔耦合系数，我们这里就不讨论小孔耦合系数的计算方法，只给出滤波器的设计方法。采用小孔耦合模片设计带通滤波器的公式：电抗斜率参数；,阻抗变换器的阻抗；,相对带宽；,小孔耦合系数；,外界Q值；,例3 设计一个小孔耦合矩形波导三腔带通滤波器。中心频率为10GHz，带宽为50MHz(相对带宽0.5),通带波纹为0.01dB。解；选用三公分标准波导BJ-100，a=22.86mm，b=10.16mm,谐振腔选用半波长谐振腔。已知中心波长为，波导波长为,谐振腔的长度为,1、根据波纹系数的要求，通过计算或查表可以确定低通原型。,2、计算始端和终端的外界Q值，以及中间的耦合系数。,3、计算两端耦合模片的磁化强度。,计算中间耦合模片的磁化强度。,4、计算耦合小孔的尺寸,计算两端耦合模片中小孔的尺寸,计算中间耦合模片中小孔的尺寸,4、修正小孔的尺寸 由于小孔的几何尺寸与波长可比拟必须进行修正。两端耦合模片修正方法可按照如下公式进行。令,解上面的方程可以求出两端模片耦合小孔直径的修正值,对于中间耦合模片耦合小孔尺寸的修正可令,解上面的方程可以求出中间模片耦合小孔直径的修正值,小孔耦合矩形波导三腔带通滤波器的结构示意图,关于小孔耦合的理论分析和公式可参考“微波网络及其应用”或其它参考书或文献资料。微波滤波器的设计前一部分就介绍到此。,谢 谢,