第8章 射頻濾波器 無線通信射頻電路技術(shù)與設計[文光俊]

1、1第8章 射頻濾波器教學教學重點重點本章重點介紹了射頻濾波器的類型、主要性能指標參數(shù)及本章重點介紹了射頻濾波器的類型、主要性能指標參數(shù)及應用要求；介紹了巴特沃斯、切比雪夫、高斯等基本低通應用要求；介紹了巴特沃斯、切比雪夫、高斯等基本低通濾波器的特征、電路拓撲與設計方法；介紹了高通、帶通濾波器的特征、電路拓撲與設計方法；介紹了高通、帶通、帶阻濾波器的實現(xiàn)技術(shù)；介紹了耦合微帶線濾波器、耦、帶阻濾波器的實現(xiàn)技術(shù)；介紹了耦合微帶線濾波器、耦合諧振器濾波器的結(jié)構(gòu)和特性。合諧振器濾波器的結(jié)構(gòu)和特性。 教學教學重點重點教學教學重點重點掌握：巴特沃斯、切比雪夫、高斯等基本低通濾波器的特掌握：巴特沃斯、切比雪夫

2、、高斯等基本低通濾波器的特 征、電路拓撲與設計方法；高通、帶通、帶阻濾波征、電路拓撲與設計方法；高通、帶通、帶阻濾波 器的實現(xiàn)技術(shù)。器的實現(xiàn)技術(shù)。了解：常見的射頻濾波器類型及結(jié)構(gòu)特征。了解：常見的射頻濾波器類型及結(jié)構(gòu)特征。熟悉：耦合微帶線濾波器和耦合諧振器濾波器。熟悉：耦合微帶線濾波器和耦合諧振器濾波器。 能力能力要求要求2本章目錄v第一節(jié) 常見的射頻濾波器v第二節(jié) 濾波器的基本結(jié)構(gòu)v第三節(jié) 濾波器的基本分析方法v第四節(jié) 低通濾波器原型v第五節(jié) 濾波器設計方法v第六節(jié) 耦合線濾波器 3知識結(jié)構(gòu)射射頻頻濾濾波波器器常見的射頻濾波器常見的射頻濾波器陶瓷濾波器陶瓷濾波器薄膜體聲濾波器薄膜體聲濾波器晶

3、體濾波器晶體濾波器聲表面波濾波器聲表面波濾波器鏡像參量法鏡像參量法插入損耗法插入損耗法LC濾波器濾波器巴特沃斯低通濾波器巴特沃斯低通濾波器濾波器的基本結(jié)構(gòu)濾波器的基本結(jié)構(gòu)濾波器的基本分析方法濾波器的基本分析方法低通濾波器原型低通濾波器原型濾波器設計方法濾波器設計方法耦合線濾波器耦合線濾波器線性相位低通濾波器線性相位低通濾波器切比雪夫低通濾波器切比雪夫低通濾波器高斯低通濾波器高斯低通濾波器頻率變換頻率變換阻抗變換阻抗變換Richards變換變換單位元件法單位元件法Kuroda規(guī)則規(guī)則耦合微帶線濾波器耦合微帶線濾波器耦合諧振器濾波器耦合諧振器濾波器48.1 常見的射頻濾波器8.1.1 LC濾波器

4、由電感L和電容C元件構(gòu)成的濾波器稱為LC濾波器，通?？煞譃橐话鉒C濾波器、諧振回路濾波器和耦合回路LC濾波器。一般LC濾波器可實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等各種功能，諧振回路LC濾波器一般只能實現(xiàn)帶通和帶阻（或陷波）兩種功能，而耦合回路LC濾波器通常僅實現(xiàn)帶通的功能。 LC低通濾波器的半節(jié)低通濾波器的半節(jié)低通濾波器的兩半節(jié)級聯(lián)低通濾波器的兩半節(jié)級聯(lián)58.1 常見的射頻濾波器8.1.2 晶體濾波器 晶體諧振器不但可以用作振蕩器還可以用來制作濾波器。晶體濾波器具有且體積小和重量輕的優(yōu)點，并且由于晶體的Q值很高，易于實現(xiàn)窄帶的帶通或帶阻濾波器。 晶體濾波器的電路與衰減特性晶體濾波器的電路與衰減特性 晶

5、體濾波器具有中心頻率穩(wěn)定，帶寬窄，邊沿衰減陡峭的特點。晶體濾波器的相對帶寬只有千分之幾，在許多情況下限制了其應用。 68.1 常見的射頻濾波器8.1.3 陶瓷濾波器 壓電陶瓷材料經(jīng)直流高壓電場極化后，可以得到類似于石英晶體中的壓電效應，其等效電路也和晶體諧振器相同。但陶瓷濾波器的品質(zhì)因數(shù)較晶體小得多（約為幾百），但比LC濾波器的品質(zhì)因數(shù)高，且串、并聯(lián)頻率間隔也比較大。因此，陶瓷濾波器的相對帶寬較大。高頻陶瓷濾波器的工作頻率可以從幾兆赫至到上百兆赫，并且其相對帶寬可從千分之幾至10。 簡單的陶瓷濾波器是在單片壓電陶瓷上形成雙電極或三電極，它們相當于單振蕩回路或耦合回路。性能較好的陶瓷濾波器通常是

6、將多個陶瓷諧振器接入梯形網(wǎng)絡而構(gòu)成。它是一種多極點的帶通（或帶阻）濾波器。單片陶瓷濾波器通常用在放大器射極電路中取代旁路電容。由于陶瓷濾波器的Q值比通常電感元件高，濾波器的通帶衰減小，帶外衰減大，矩形系數(shù)較小。78.1 常見的射頻濾波器8.1.4 聲表面波濾波器 聲表面波濾波器（SAW）器件是一種利用沿彈性固體表面?zhèn)鞑C械振動波的器件。在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深入固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波稱為聲表面波（SAW），它具有能量密度高和傳播速度慢的特點。 聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖 在聲表面波濾波器中，叉指換能器一般是均勻的，也可以對指長、指寬或者叉指間

7、隔進行加權(quán)，這樣就可以得到幅頻特性更好，或者滿足特殊幅頻特性要求的濾波器。 88.1 常見的射頻濾波器8.1.5 薄膜體聲濾波器 由Agilent公司于2000年開發(fā)的薄膜體聲諧振器是一項新型電、聲諧振技術(shù)，它具有聲表面波濾波器的優(yōu)點，而且完全以半導體制造工藝制作，且因其濾波的原理決定于薄膜厚度（并非線寬），所以更易達到高頻的應用。同時，體聲波組件具有插入損耗低、體積小、承受功率高、整合兼容性高等優(yōu)點，因此，被廣泛用來作為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的主要的頻率整形器件，如濾波器、雙工器和振蕩器或VCO中的諧振器等。 薄膜體聲表面波組件是利用壓電薄膜電磁能與機械能互相轉(zhuǎn)換的機制來達到諧振器功能的，薄膜的

8、耦合系數(shù)、聲速、薄膜厚度等參數(shù)決定著Q值、帶寬、中心頻率等性能指標。目前薄膜體聲表面波諧振器的結(jié)構(gòu)以SMR結(jié)構(gòu)最為簡單，且與目前半導體制造工藝兼容性好，因此極具發(fā)展?jié)摿Α?8.2 濾波器的基本結(jié)構(gòu) 從工作頻率范圍來看，濾波器可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種基本類型，它們理想的幅度頻率響應如下圖所示：四種基本濾波器四種基本濾波器 實際的濾波器實現(xiàn)形式是根據(jù)不同的傳遞函數(shù)對理想特性的逼近，可以分為巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)等基本濾波器，它們的幅度頻率響應如下圖所示： 三種低通濾波器的衰減曲線三種低通濾波器的衰減曲線108.2 濾波器的基本結(jié)構(gòu)濾波器的主要技術(shù)指標有：1、通帶插入損耗： 理

9、想的濾波器不應對通帶內(nèi)的信號引入損耗，然而實際的電路中總是會引入一定的功率損耗，稱為插入損耗。其定義為信號源輸入功率與負載得到的功率之比：inPLPin2ininL10log10log(1)PILP 其中 是信號源的輸入功率， 是負載得到的功率， 是從信號源向濾波器看去的反射系數(shù)。2、波紋 波紋是衡量帶內(nèi)響應平坦度的技術(shù)指標，我們可以用波紋系數(shù)定量的分析波紋的起伏大小，定義為帶內(nèi)用分貝或奈貝表示的相應幅度的最大和最小值之差。118.2 濾波器的基本結(jié)構(gòu)3、帶寬 對于帶通濾波器不同的衰減量對應于不同的帶寬，常用的有3 dB帶寬，其定義為通帶內(nèi)幅度衰減為3 dB的上下邊帶之差,60 dB帶寬定義為

10、通帶內(nèi)幅度衰減為60 dB的上下邊帶之差： 3dBU3dBL3dBBWff60dBU60dBL60dBBWff4、矩形系數(shù) 矩形系數(shù)描述了帶通濾波器通帶與阻帶間過渡帶寬的陡峭程度，通常定義為60 dB帶寬與3 dB帶寬的比值：3dB60dBBWSFBW128.2 濾波器的基本結(jié)構(gòu)5、品質(zhì)因數(shù)QLQQ品質(zhì)因數(shù)可以分為空載品質(zhì)因數(shù) 和有載品質(zhì)因數(shù) ，兩者由是否接有負載區(qū)分。通?？蛰d品質(zhì)因數(shù) 定義為在諧振頻率下，濾波器上一個周期內(nèi)平均儲能與功率損耗的比： cstoredlossWQP LE111QQQEQ 為外部品質(zhì)因數(shù) 品質(zhì)因數(shù)的另外一個重要應用來自于它與3dB帶寬間的關系：c3dBLfBWQ13

11、8.3 濾波器基本分析方法 兩種分析濾波器輸入/輸出性能的方法鏡像參量法和插入損耗法。8.3.1 鏡像參量法 鏡像參量法是一種基于二端口網(wǎng)絡的ABCD參數(shù)分析濾波器性能的方法。用鏡像參量法可以分析濾波器網(wǎng)絡的鏡像阻抗和傳遞函數(shù)。端接其鏡像阻抗的二端口網(wǎng)絡端接其鏡像阻抗的二端口網(wǎng)絡148.3 濾波器基本分析方法鏡像阻抗的表達式：1 iABZCD2iBDZAC電壓傳遞函數(shù)為：21i1=eVBDDDADBCVZAA電流傳遞函數(shù)為：21eIAAADBCIDD定義為網(wǎng)絡的傳播因數(shù)，即： eeADBC158.3 濾波器基本分析方法8.3.2 插入損耗法插入損耗可用反射系數(shù)表示為：IL2in11P 2in2

12、由于 是 的偶函數(shù)，可將其表示為 的多項式：22in22()()()MMN于是得到插入損耗表達式為：22()1()ILMPN 實際的濾波器網(wǎng)絡的插入損耗均滿足上式。168.4 低通濾波器原型8.4.1 巴特沃斯低通濾波器 將經(jīng)典的低通濾波器原型，通過不同的變換，將其轉(zhuǎn)換成要求的濾波器。 插入損耗可表示為：2210log()10log 1NILLFac c其中 是歸一化頻率，定義為 ， 是截止頻率，N是濾波器的階數(shù)。 巴特沃斯低通濾波器的衰減曲線巴特沃斯低通濾波器的衰減曲線178.4 低通濾波器原型 由電感L和電容C可構(gòu)成基本的低通濾波器，通常有T形和 形兩種結(jié)構(gòu)，如下圖所示： 形結(jié)構(gòu)形結(jié)構(gòu)T形

13、結(jié)構(gòu)形結(jié)構(gòu)巴特沃斯低通濾波器歸一化元件參數(shù)巴特沃斯低通濾波器歸一化元件參數(shù)188.4 低通濾波器原型8.4.2 線性相位低通濾波器 通常情況下濾波器的過渡衰減和線性相移是相互沖突的，由此要想有好的線性相位必然意味著要降低濾波器的矩形系數(shù)。由于濾波器電壓傳遞函數(shù)的相位沒有簡單的表達式，故常用數(shù)值方法求解元件參數(shù)值。 線性相位低通濾波器的歸一化元件參數(shù)線性相位低通濾波器的歸一化元件參數(shù)198.4 低通濾波器原型8.4.3 切比雪夫低通濾波器插入損耗表達式：22N10log10log 1( )ILLFa T其中：1N( )coscos ( )TN 1N( )coshcosh ( )TN 1 1切比雪

14、夫濾波器的衰減曲線切比雪夫濾波器的衰減曲線208.4 低通濾波器原型 下表列出了通帶內(nèi)波紋為3 dB，階數(shù)從1到10的切比雪夫歸一化低通濾波器原型的元件參數(shù)值。 切比雪夫低通濾波器原型的歸一化元件參數(shù)切比雪夫低通濾波器原型的歸一化元件參數(shù)(3dB波紋波紋)218.4 低通濾波器原型8.4.4 高斯低通濾波器0 高斯濾波器是一種群延遲特性在通帶內(nèi)就開始緩慢變化的濾波器，并且在 附近具有最平坦的群延遲特性。 傳輸函數(shù)為：021k0NkkaSa ppj 是歸一化的復頻率變量， 2!2!kN kNkakNk3階和階和5階高斯濾波器的幅度和群時延響應特性曲線階高斯濾波器的幅度和群時延響應特性曲線228.

15、5 濾波器設計方法8.5.1 頻率變換頻率變換是指如何將歸一化頻率 變換為實際頻率 ，實際是調(diào)整標準電感和標準電容的值。cc 1、低通原型到實際低通濾波器的頻率變換方法，是將實際截止頻率 乘以歸一化頻率 ，即 。 實際電感：cLL 實際電容：cCC c2、低通原型到高通濾波器的頻率變換方法，是通過變換 實現(xiàn)的。 實際電感：c1LC 實際電容：c1CL 3、低通原型變換為帶通濾波器時，頻率變換要復雜一些。 實際電感：UL20LC 實際電容：ULCC 238.5 濾波器設計方法8.5.2 阻抗變換GR當源阻抗為 時，實際阻抗變換為：GGRRGLLR GCCR GLLRR R50 例題 設計一個3

16、dB等波紋切比雪夫帶通濾波器，其階數(shù)N = 3， 阻抗為 ，中心頻率是2 GHz，帶寬10。用CAD進行仿真并畫出所設計濾波器13 GHz的振幅響應和群時延。解： 從表中查出N=3，波紋為3dB的切比雪夫低通濾波器原型的元件值為：13.3487L1g20.7117C2g33.3487L3gL1.0000R4g選用電路選用電路248.5 濾波器設計方法 利用頻率和阻抗變換公式可將低通濾波器原型的元件參數(shù)值轉(zhuǎn)換成帶通濾波器的各元件的真實值為：1010133.2 nHL RL 10100.0474 pFCL R 02020.559 nHRLC 220011.327 pFCCR 3030133.2 n

17、HL RL 30300.0474 pFCL R 最后用ADS仿真并畫出濾波器13 GHz的振幅響應和群時延。 生成的生成的ADS原理圖原理圖振幅響應振幅響應群時延群時延258.5 濾波器設計方法8.5.3 Richards變換 Richards變換，其思想是將一段短路或開路的傳輸線等效于分布的電感或電容元件。 08 1、取終端為短路的傳輸線長度為 ，得到電感元件的Richards變換為：08L0000jjjtanjtan44fXLZZSZf 2、取終端為開路的傳輸線長度為 ，得到電容元件的Richards變換為：c00jjjtan4BCYSY 268.5 濾波器設計方法8.5.4 單位元件法在

18、將集總參數(shù)元件變換成分布參數(shù)元件時需要插入單位元件。 o4ffUEZ為了方便，插入的單位元件與Richards變換中的傳輸線取相同的長度，即其電長度為 。特征阻抗取歸一化特征阻抗 ，用以保證不改變?yōu)V波器電路的特性。用ABCD參量矩陣表示單位元件得：UEUEUEUE2UEUEUEUEcosjsin11jsincos11ZZSABUESCDSZZS其中 就是Richards變換， 。 jtan4S278.5 濾波器設計方法8.5.5 Kuroda規(guī)則 Kuroda規(guī)則的目的是將電路變換為容易實現(xiàn)的形式，如下圖所示，具體有四個變換規(guī)則：Kuroda規(guī)則規(guī)則288.6 耦合線濾波器8.5.5 耦合微帶

19、線濾波器 耦合微帶線濾波器一般是用于構(gòu)建級聯(lián)形式的帶通濾波器，它的原理是利用兩根傳輸線間的奇模和偶模效應通過公共接地板產(chǎn)生耦合，這種耦合效應導致了奇模和偶模特性阻抗。 無損耗耦合傳輸線系統(tǒng)的等效電路圖及相應的電壓、電流定義無損耗耦合傳輸線系統(tǒng)的等效電路圖及相應的電壓、電流定義奇模特性阻抗：0odpodod1ZvC偶模特性阻抗：0epee1Zv C其中，e1122CCCod1112221222CCCCC298.6 耦合線濾波器級聯(lián)微帶線帶通濾波器的設計方法：首先應該找到滿足通帶阻帶特性的低通濾波器原型，找低通原型的過程包括確定帶內(nèi)波紋要求和查表確定電路原型的各個元件的值 ， ， ， ， 。0g1g2gNg1Ng第二步：計算中心頻率：相對帶寬：0LU2UL0BWi,jJ計算 參數(shù)：0,100112BWJZg gi,i+10ii+112BWJZg g多結(jié)構(gòu)的多結(jié)構(gòu)的5階耦合微帶線帶通濾波器階耦合微帶線帶通濾波器