第七章+濾波器3

1、1 矩形系數(shù)：阻帶帶寬與通帶帶寬的比值矩形系數(shù)：阻帶帶寬與通帶帶寬的比值 傳輸零點：傳輸衰減極大以致無能量通過傳輸零點：傳輸衰減極大以致無能量通過 傳輸極點：傳輸無衰減的頻點傳輸極點：傳輸無衰減的頻點 電耦合：電場能量耦合為主電耦合：電場能量耦合為主 磁耦合：磁場能量耦合為主磁耦合：磁場能量耦合為主 混合耦合：電耦合與磁耦合有一定比例混合耦合：電耦合與磁耦合有一定比例 交叉耦合：結構上一個諧振器同時與其他兩個或交叉耦合：結構上一個諧振器同時與其他兩個或 多個諧多個諧 振器之間引入耦合振器之間引入耦合 2 圖圖 1 1 橢圓函數(shù)低通原型電路結構橢圓函數(shù)低通原型電路結構 1 n g g0g1 g2

2、 gn gn1gn1或gngn1 (n為偶數(shù))(n為奇數(shù)) (a) g1 g0 g2 gn1 2 g gn1gn或 gn gn1 1 n g (b) 2 g (n為偶數(shù))(n為奇數(shù)) 1n g 1n g 3 圖圖 2 2 橢圓函數(shù)低通原型的衰減曲線橢圓函數(shù)低通原型的衰減曲線 4 n n為濾波器支路個數(shù)，為濾波器支路個數(shù)，L LAr Ar為通帶內(nèi)最大衰減 為通帶內(nèi)最大衰減 1 s k n n為濾波器支路個數(shù)，為濾波器支路個數(shù)，L LAr Ar為通帶內(nèi)最大衰減 為通帶內(nèi)最大衰減 1 s k 5 每個并聯(lián)諧振電路提供一個無限衰減極點每個并聯(lián)諧振電路提供一個無限衰減極點 6 鏡像阻抗 鏡像阻抗Zi1和

3、Zi2定義為 7 8 耦合線濾波器的設計 一段平行耦合線的等效電路 其ABCD矩陣為 導納倒相器可由四分之一波長，特征導納為J的傳輸線得到 9 鏡像阻抗 傳播常數(shù) 導出耦合線帶通濾波器設計公式的等效電路的演化 N+1條耦合線帶通濾波器的布局 10 每條耦合線段的等效電路 導納倒相器的等效電路 長為2的傳輸線的等效電路 11 N=2時按上頁后兩圖的等效結果 N=2的帶通濾波器的集中元件電路 12 設計公式 為相對帶寬 奇、偶模特性阻抗 13 例： 設計一耦合線帶通濾波器，N=3，波紋0.5dB，中心頻率2GHz，帶 寬10%，Z0=50。 14 耦合諧振器濾波器的設計 短截線和各短截線之間傳輸線

4、都為四分之一波長 圖a短截線為開路，等效帶阻濾波器 圖b短截線為短路，等效帶通濾波器 短截線和各短截線之間傳輸線都為四分之一波長 圖a短截線為開路，等效帶阻濾波器 圖b短截線為短路，等效帶通濾波器 15 耦合諧振器濾波器的設計 用諧振器和導納倒相器的等效濾波電路 等效的集中元件帶阻濾波器 16 設計公式 應用開路短截線諧振器的帶阻濾波器的短截線特征阻抗 應用短路短截線諧振器的帶通濾波器的短截線特征阻抗 為相對帶寬，Z0為串聯(lián)線特征阻抗 設計公式設計公式 為相對帶寬，Z0為串聯(lián)線特征阻抗 設計公式 17 例： 設計一個使用三個四分之一波長開路短截線的帶阻濾波器，波紋 0.5dB，中心頻率2GHz

5、，帶寬15%，Z0=50。 18 串聯(lián)線與并聯(lián)線均為四分之一波長串聯(lián)線與并聯(lián)線均為四分之一波長 19 相較于前一頁，并聯(lián)線用二分之一開路線替代，相較于前一頁，并聯(lián)線用二分之一開路線替代， 可省去接地的麻煩可省去接地的麻煩 20 圖示非階躍阻抗線濾波器，是短截線阻抗過小，線寬圖示非階躍阻抗線濾波器，是短截線阻抗過小，線寬 過大時用阻抗加倍、線寬減小的兩段短截線并聯(lián)代替過大時用阻抗加倍、線寬減小的兩段短截線并聯(lián)代替 21 22 23 所有近似設計方程的精度都隨著設計帶寬的所有近似設計方程的精度都隨著設計帶寬的 增加而惡化，其主要表現(xiàn)有：增加而惡化，其主要表現(xiàn)有： （1 1）通帶內(nèi)電壓駐波比的波動超

6、過設計值，特別）通帶內(nèi)電壓駐波比的波動超過設計值，特別 是在通帶邊頻附近；是在通帶邊頻附近； （2 2）實際制作的濾波器的帶寬以無法預知的狀況）實際制作的濾波器的帶寬以無法預知的狀況 偏離指定的設計帶寬。偏離指定的設計帶寬。 24 本節(jié)的設計方法消除了上述的第（本節(jié)的設計方法消除了上述的第（2 2）個困）個困 難，使得實際的和設計的帶寬基本相同，并且難，使得實際的和設計的帶寬基本相同，并且 在很大程度上使電壓駐波比的波動也很接近于在很大程度上使電壓駐波比的波動也很接近于 設計的要求。設計的要求。 25 在微帶帶通濾波器的近似設計方法中，如果把集在微帶帶通濾波器的近似設計方法中，如果把集 中元件

7、原型的元件值在中心頻率上用微波元件實現(xiàn)，中元件原型的元件值在中心頻率上用微波元件實現(xiàn)， 則得到窄帶近似設計方程。如果在中心頻率和帶邊頻則得到窄帶近似設計方程。如果在中心頻率和帶邊頻 率上用微波元件實現(xiàn)，則得到寬帶近似設計方程。率上用微波元件實現(xiàn)，則得到寬帶近似設計方程。 26 27 28 29 30 31 （1 1）根據(jù)濾波器的通帶和阻帶的衰減指標，選擇出）根據(jù)濾波器的通帶和阻帶的衰減指標，選擇出 適當?shù)臍w一化低通原型。適當?shù)臍w一化低通原型。 （2 2）計算表）計算表1 1所列各參數(shù)。所列各參數(shù)。 （3 3）計算表）計算表2 2的阻抗矩陣元素和各耦合線段的偶模的阻抗矩陣元素和各耦合線段的偶模

8、及奇模阻抗。及奇模阻抗。 32 （4 4）根據(jù)偶、奇模阻抗決定耦合微帶線的尺寸（寬度）根據(jù)偶、奇模阻抗決定耦合微帶線的尺寸（寬度 和間距）。和間距）。 （5 5）按式）按式1 1決定耦合區(qū)的長度。決定耦合區(qū)的長度。 （6 6）根據(jù)微帶線開路端的邊緣電容，對上述耦合區(qū)的）根據(jù)微帶線開路端的邊緣電容，對上述耦合區(qū)的 長度進行修正。長度進行修正。 33 耦合區(qū)（段）的長度的標稱值為四分之一波導波耦合區(qū)（段）的長度的標稱值為四分之一波導波 長。在耦合微帶線的情況下，由于偶模和奇模的相速長。在耦合微帶線的情況下，由于偶模和奇模的相速 不同，因此在選擇耦合區(qū)的長度時要選用二者（四分不同，因此在選擇耦合區(qū)的

9、長度時要選用二者（四分 之一偶模波長和四分之一奇模波長）之間的某一個數(shù)之一偶模波長和四分之一奇模波長）之間的某一個數(shù) 值：值： 式中：式中：f f0 0是通帶中心頻率，是通帶中心頻率， 0 0是其對應的自由空間是其對應的自由空間 波長，波長，c c0 0是自由空間光速。是自由空間光速。 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分別是每個耦合段的偶模和奇分別是每個耦合段的偶模和奇 模的相對相速，可由公式算出和用圖表查出。模的相對相速，可由公式算出和用圖表查出。 一般限一般限y y 0.25 0.

10、25，可給出較好的結果。，可給出較好的結果。 在設計時，還應當考慮半波長開路諧振器在兩個開路在設計時，還應當考慮半波長開路諧振器在兩個開路 端上的邊緣電容。對這個邊緣電容，可以減小諧振器端上的邊緣電容。對這個邊緣電容，可以減小諧振器 的長度來補償。的長度來補償。 10 ,/1/ycvyycvV o p e p （2） 35 設計微波帶通濾波器，其指標是：設計微波帶通濾波器，其指標是： 中心頻率：中心頻率：f0 = 5.0千兆赫（千兆赫（GHz） 通帶寬度：相對帶寬通帶寬度：相對帶寬 ，或，或 MHz 通帶衰減：等于或小于通帶衰減：等于或小于0.1dB。 阻帶衰減：在阻帶衰減：在4.75GHz頻

11、率上至少有頻率上至少有20dB的衰減。的衰減。 端接條件：兩端均為端接條件：兩端均為50 的微帶線（的微帶線（ZA = ZB = 50 ） %5 0 12 f ff 250 12 ff 36 （1）確定低通原型：選用）確定低通原型：選用0.1分貝波紋的切比雪夫原型。分貝波紋的切比雪夫原型。 該低通原型濾波器的階次該低通原型濾波器的階次n，可以利用變換式，可以利用變換式 在本例情況下，在本例情況下，BW = 0.25GHz，f 0 = 5GHz， ，f = 4.75GHz，由此得到，由此得到 查出，查出，n = 4。歸一化低通原型的元件值為：。歸一化低通原型的元件值為： 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）計算表）計算表1所列各參數(shù)：所列各參數(shù)： 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 濾波器采用對稱的耦合微帶線結構，因此選擇濾

13、波器采用對稱的耦合微帶線結構，因此選擇 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）計算表）計算表2中阻抗矩陣元素和偶、奇模阻抗：中阻抗矩陣元素和偶、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、奇模阻抗的計算結果列于表各耦合段的偶、奇模阻抗的計算結果列于表3中。中。 表表3 各耦合段的偶、奇模阻抗計算值各耦合段的偶、奇模阻抗計算值 41 選用選用 r = 8.8的陶瓷材料作為微帶濾波器的基片，其厚度的陶瓷材料作為微帶濾波器的基片，其厚度h = 0.7毫米，毫米， 根據(jù)表根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，可計算出各耦合微帶線的尺寸，如表的數(shù)據(jù)，可計算出各耦合微帶線的尺寸，如表4。 42 （5）決

15、定每個耦合區(qū)的長度：首先需計算每個耦合區(qū)）決定每個耦合區(qū)的長度：首先需計算每個耦合區(qū) 的偶、奇模相速，然后根據(jù)式（的偶、奇模相速，然后根據(jù)式（2）計算）計算V值，最后按值，最后按 式（式（1）算出每個耦合區(qū)的標稱長度。每個耦合區(qū)的偶、）算出每個耦合區(qū)的標稱長度。每個耦合區(qū)的偶、 奇相速可以利用下圖近似估計出來。奇相速可以利用下圖近似估計出來。 43 耦合區(qū)的奇偶模相速 44 （6）邊緣電容的修正：具有開路終端的每條微帶線應）邊緣電容的修正：具有開路終端的每條微帶線應 減小的長度減小的長度 lk1,k，可從（，可從（3）算出。對于第）算出。對于第1和和5耦合耦合 區(qū)，區(qū)， l01 = l45 =

16、 0.36h = 0.252毫米，其余耦合區(qū)長度毫米，其余耦合區(qū)長度 的修正量為的修正量為 l12 = l23 = l34 = 0.38h = 0.266毫米。毫米。 e為微帶線有效介電常數(shù)。為微帶線有效介電常數(shù)。 0.3/0.264 0.412 0.258/0.8 e e lw h hw h （3） 45 由此得所設計的半由此得所設計的半 波長開路諧振器平波長開路諧振器平 行耦合濾波器的結行耦合濾波器的結 構尺寸的匯總表，構尺寸的匯總表， 其標注如右圖。其標注如右圖。 46 實際制成的該濾波器的實物照片如圖實際制成的該濾波器的實物照片如圖5-31所示。所示。 圖圖5-31 例示的半波長諧振器

17、平行耦合濾波器的實物照片例示的半波長諧振器平行耦合濾波器的實物照片 47 測試頻率特性。測試頻率特性。 48 半波長微帶諧振器平行耦合濾波器的優(yōu)點是半波長微帶諧振器平行耦合濾波器的優(yōu)點是 結構簡單，制作容易，但頻率較低時占用基片面結構簡單，制作容易，但頻率較低時占用基片面 積大。在低頻應用時，縮小基片占用面積的途徑積大。在低頻應用時，縮小基片占用面積的途徑 有二，一是用高介電系數(shù)的基片，二是把平行耦有二，一是用高介電系數(shù)的基片，二是把平行耦 合結構改為圖示發(fā)夾型結構。合結構改為圖示發(fā)夾型結構。 49 5級切比雪夫型濾波器，工作頻率級切比雪夫型濾波器，工作頻率905MHz，基片，基片 厚度厚度2

18、mm，相對介電系數(shù)為，相對介電系數(shù)為80，損耗正切約，損耗正切約0.0002。 在在40MHz帶寬范圍內(nèi)，插入損耗、反射損耗分別優(yōu)于帶寬范圍內(nèi)，插入損耗、反射損耗分別優(yōu)于 3dB和和17dB。 50 發(fā)夾型濾波器發(fā)夾型濾波器 混合的發(fā)夾型和半波長平行耦合濾波器混合的發(fā)夾型和半波長平行耦合濾波器 51 發(fā)夾型濾波器每一個發(fā)夾線內(nèi)部有耦合；全發(fā)夾型發(fā)夾型濾波器每一個發(fā)夾線內(nèi)部有耦合；全發(fā)夾型 濾波器容易激起比通帶中心頻率高得不多的表面波，濾波器容易激起比通帶中心頻率高得不多的表面波， 產(chǎn)生另外的寄生通帶，因此一般采用發(fā)夾線和平行耦產(chǎn)生另外的寄生通帶，因此一般采用發(fā)夾線和平行耦 合線混合式的濾波器合線混合式的濾波器 52 介質(zhì)諧振器濾波器介質(zhì)諧振器濾波器 制作高性能高穩(wěn)定的窄帶濾波器，常用于帶通制作高性能高穩(wěn)定的窄帶濾波器，常用于帶通 和帶阻濾波器。介質(zhì)的和帶阻濾波器。介質(zhì)的Q Q值可達值可達5