滤波器与双工器的设计与仿真

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1、滤波器与双工器的设计与仿真,雷 振 亚,西 安 电 子 科 技 大 学,滤波器的简介,原理：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。实际工作中常采用工作衰减来描述滤波器的幅值特性，即式中， 为输出端接匹配负载时滤波器输入功率为输出端接匹配负载时负载吸收功率,滤波器原理示意图,滤波器的简介,技术指标：1. 工作频带:(1) 3dB带宽，由通带最小插入损耗点（通带传输特性的最高点）向下移3dB时所测的通带宽度（不考虑插入损耗）。(2) 插损带宽: 满足插入损耗时所测的带宽。这 个定义比较严谨,在工程中常用。,滤波器的简介,2.插入损耗: 由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗。滤波

2、器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗（如电感、 电容、 导体、 介质的不理想）和滤波器的回波损耗。,滤波器的简介,3.带内纹波:插入损耗的波动范围，带内纹波越小越好,否则会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏。4.承受功率：在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。,滤波器的简介,5.带外滚降（截止率）：规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。截止率越大，则性能越接近理想滤波器。此外，由于滤波器的寄生通带通常都是难以避免的，所以寄生通带损耗越大越好,也就是谐振电路的二次、 三次等高次谐振峰越低越好。,滤波器的简介,种类：

3、按功能分，有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，可调滤波器。按用的元件分，有集总参数滤波器，分布参数滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体滤波器，声表面波滤波器，等等。,滤波器的简介,按衰减表示的滤波器的响应,滤波器的简介,按传输函数表示的滤波器的响应,滤波器的设计,滤波器的设计方法低通原型为设计微波滤波器的基础，各种低通、高通、带通和带阻滤波器的传输特性由此原型变换而来。低通原型综合法，先由衰减特性综合出低通原型，再进行频率变换，最后用微波结构实现电路元件。,滤波器的设计,滤波器的设计过程,1.1 低通原型滤波器,集总元件低通原型滤波器是用现代网络 综合法设计微波滤波器的基础。低通

4、滤波器的理想化衰减-频率特性如图：,图中： 纵坐标表示衰减 横坐标为角频率 0为截止频率,1.1 低通原型滤波器,实际中常采用以下四种基本低通原型： 最平坦型低通原型数学表示式为：式中满足关系式n对应于电路所需级数。,参数指标：通带内最大衰减 ，截止频率 ，阻带最小衰减 以及阻带边频 。 特点： 处(2n1)阶的导数等于零，在通带内衰减变化缓慢，具有最平坦特性， 定义为衰减3dB的频带边缘点。 最平坦型用巴特沃斯（Butterworth）函数逼近，结构简单，最小插入损耗，适用于窄带场合。,1.1 低通原型滤波器,切比雪夫低通原型数学表示式为：式中： 是n阶第一类切比雪夫多项式，即：,1.1 低

5、通原型滤波器,在 之间为余弦函数， 故在 之间呈现等波纹变换， 在 时 ，衰减达到最大值 即： 于是：其中， 就是波纹因数,1.1 低通原型滤波器,特点：带内衰减呈等波纹特性， 定义为等波纹频带的边缘频率。 是波纹的幅度， 是波纹因数， 越小，波纹幅度越小。 切比雪夫型（Chebyshev）,结构简单，频带广，边沿陡峭，应用范围广。,1.1 低通原型滤波器,椭圆函数低通原型其逼近衰减函数为：对于n为奇数的情况：,1.1 低通原型滤波器,1.1 低通原型滤波器,对于n为偶数的情况：参数指标： 通带最大衰减 ， 阻带最小衰减，通带带边频率 ，阻带带边频率 。,特点：通带和阻带都具有等波纹特性，通带

6、具有 若干个零点频率，阻带内具有若干个极点频率， 零点和极点的数目相同。 椭圆函数型（Elliptic）,结构复杂，边沿陡峭， 适用于特殊场合,1.1 低通原型滤波器,1.1 低通原型滤波器,1.1 低通原型滤波器,1.2 频率变换,低通到高通的频率变换,1.2 频率变换,频率变换式：式中： 是低通原型滤波器的频率变量是高通滤波器的频率变量是高通滤波器的截止频率,1.2 频率变换,低通到带通的频率变换,1.2 频率变换,频率变换式：式中： 是低通原型滤波器的频率变量是带通滤波器的频率变量是带通滤波器的中心频率是带通滤波器的相对带宽是带通滤波器的上下边频,1.2 频率变换,低通到带阻的频率变换,

7、1.2 频率变换,频率变换式：式中： 是低通原型滤波器的频率变量是带通滤波器的频率变量是带通滤波器的中心频率是带通滤波器的相对带宽是带通滤波器的上下边频,1.3 微波结构实现,常见微波传输线结构,1.3 微波结构实现,在以上常见的微波结构就是滤波器结构的基础， 其中微带、同轴、波导在滤波器的设计中比较普遍的 使用，而由于微带线体积小且便于集成，所以应用最 为广泛。以下主要介绍同轴滤波器和波导滤波器的设 计和仿真。,1.3 微波结构实现,微波滤波器从结构性差异来说，分为： 1. 波导滤波器波导滤波器，是通过在波导内加载膜片、销钉或是腔内加载介质等方法来模拟集总元件，从而实现滤波功能的器件。优点：

8、功率容量最大，Q值高，温度稳定性好缺点：体积大，不便于集总，一般应用于窄带,1.3 微波结构实现,膜片和销钉加载示意图,1.3 微波结构实现,膜片加载腔体剖面图,1.3 微波结构实现,腔体螺旋结构,1.3 微波结构实现,销钉加载,1.3 微波结构实现,销钉加载腔体滤波器实物图,1.3 微波结构实现,多腔介质滤波器,1.3 微波结构实现,2. 同轴线滤波器同轴线传输TEM模，一般在TEM模滤波器中通常采用高阻抗线实现串联电感，低阻抗线实现并联电容，有时也采用加介质或是螺旋结构等方法来实现集总参数。优点：结构紧凑，适于宽带、低损耗、大功率的 场合缺点：调试难度大，对设计要求高,1.3 微波结构实现

9、,高低阻抗线实现,螺旋线结构实现,1.3 微波结构实现,同轴滤波器实物图,1.3 微波结构实现,3. 微带线滤波器微带线传输准TEM波（近似为TEM波），所以由微带线构成的滤波器一般也是通过高低阻抗线来实现集总元件。微带线是一种半开放式的场结构。优点：宽带，尺寸小、重量轻、成本低、易加工 便于在微波平面电路甚至微波集成电路中得应用缺点：插入损耗大，功率容量小，,1.3 微波实现,高低阻抗线低通滤波器,枝节线低通滤波器,1.3 微波实现,半波长谐振带阻滤波器,L型带阻滤波器,1.3 微波实现,梳状滤波器,发卡式带通滤波器,1.3 微波结构实现,实物图,1.4 同轴线滤波器的设计,同轴线结构与集总

10、参数电抗元件的等效关系：,1.4 同轴线滤波器的设计,1.4 同轴线滤波器的设计,以糖葫芦式同轴线低通滤波器为例其设计步骤如下：（1）根据滤波器的通带和阻带的衰减指标，选择 适当的归一化低通原型，并计算得出滤波器 的元件数目和归一化元件值。（2）根据滤波器的截止频率和终端电阻，计算出 滤波器的实际元件数值（反归一）。,1.4 同轴线滤波器的设计,（3）选定滤波器的高、低阻抗值，设计出各高、 低阻抗线的径向尺寸。（4）计算各不连续阶梯的边缘电容。（5）根据滤波器的实际元件值和边缘电容，计算 出各高、低阻抗线的长度。（6）修正两端阻抗线的长度，以补偿它们与50欧 姆传输线间的边缘电容。,1.4 同

11、轴线滤波器的设计,实例说明：1.设计要求：欲设计的微波低通滤波器的指标是：（1）截止频率： 千兆赫，即通带为 千兆赫（2）通带衰减：等于或小于0.1分贝（3）阻带衰减：在2.168千兆赫处至少有35分 贝的衰减（4）端接条件：两端与50欧姆标准同轴相接,1.4 同轴线滤波器的设计,2.设计计算（1）确定低通原型：由于要求通带衰减等于或小 于0.1分贝，故可选0.1分贝波纹的切比雪夫 原型。根据在归一频率上阻带衰减为35分贝，可计算得到元件数 目和元件值。,1.4 同轴线滤波器的设计,实际中可查工程手册直接得到： 滤波器元件数目：n=15 元件数值：,1.4 同轴线滤波器的设计,（2）实际元件数

12、值的计算：设低通原型电路为电感输入，则在n=115的元件中，n为基数的是电感元件，n为偶数的是电容元件。求元件的实际数值时，除两终端电阻都是50欧姆外，对电感元件的归一值要乘以,1.4 同轴线滤波器的设计,对于电容元件的归一值要乘以由此得出各元件的实际数值是,1.4 同轴线滤波器的设计,（3）选定高、低阻抗：由于同轴线的等效集总元件数值与其长度L和特性阻抗Z都有关系，因而可固定其一，调整另一个来得到所需的集总元件数值。先选定滤波器的高阻抗线为150欧姆，低阻抗为10欧姆。这样选定后，则高阻抗长度约为1.971千兆赫的1/8波长。然后根据高低阻抗来计算同轴线的径向尺寸。计算得，同轴线外导体内径为

13、0.897英寸，高阻抗线内导体直径0.073英寸，低阻抗线内导体直径为0.688英寸。,1.4 同轴线滤波器的设计,（4）边缘电容的计算：这里的边缘电容，是指第一个高阻抗线与50欧姆线接头的边缘电容Cf0和10欧姆低阻抗线与150欧姆高阻抗线接头上的的边缘电容Cf。计算得到,1.4 同轴线滤波器的设计,（5）各线段长度的计算：也就是15个集总元件所对应的同轴线的长度 的计算。有高低阻抗线与集总元件的对应关系可计算得,1.4 同轴线滤波器的设计,（6）两端不连续性的补偿：由于两端不连续电容Cf0的影响，必须对进行补偿 。用来模拟50欧姆线的串联电感和并联电容，其数值由下式来确定解得于是得出,1.

14、4 同轴线滤波器的设计,3. 滤波器结构尺寸,1.5 腔体滤波器的设计,波导结构与集总参数电抗原件的对应关系：在波导结构中，可以通过膜片加载、销钉或是介质填充等方法来实现集总电抗元件，以下各图分别是：矩形波导的电容膜片，电感膜片（五种情况），销钉加载（两种情况），圆波导的电容膜片和电感膜片加载。,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波器的设计,1.5 腔体滤波

15、器的设计,以电感膜片耦合波导滤波器的设计为例1. 设计要求在f1=3.047千兆赫到f2=3.157千兆赫的通带内有0.5分贝的切比雪夫波纹，在频率fa=2.786千兆赫和fb=3.326千兆赫上至少有30分贝衰减的波导带通滤波器。设计时选用BJ-32矩形波导，即ab=7.2143.41厘米2。,1.5 腔体滤波器的设计,2. 设计计算（1）选定低通原型因为,1.5 腔体滤波器的设计,故查表可得两个衰减皆大于30分贝，故选n=3。并查表可得,1.5 腔体滤波器的设计,（2）计算各K变换器的归一阻抗（采用只有一种电抗元件的低通原型）根据相对带宽W=0.0645,所以可得出：,1.5 腔体滤波器的

16、设计,（3）设计各并联感抗,1.5 腔体滤波器的设计,（4）计算两电感膜片间的距离,1.5 腔体滤波器的设计,（5）设计各膜片尺寸假设膜片很薄，可用工程手册中的曲线来求膜片的窗孔宽度，为此先计算出：,1.5 腔体滤波器的设计,根据上述数据，有手册查得由a=7.214厘米得知,1.5 腔体滤波器的设计,所以该波导带通滤波器的尺寸为：,2.1 双工器简介,双工器，又称天线共用器，是一个比较特殊的双向三端滤波器。其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作.它是由两组不同频率的阻带滤波器组成，避免本机发射信号传输到接收机。一般双工器由两个阻带滤波器（陷波器）组成 ，各谐振于发射和接收频率。接收端滤波器谐振于发射频率，并防指发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接收频率。,