濾波器詳細分類

關(guān)于濾波器詳細分類微波及其特點所謂微波是一種具有極高頻率（通常為300MHz-300GHz），波長很短，通常為1m-1mm的電磁波。微波具有似光性和似聲性、穿透性、信息容量大等特點。第2頁,共71頁，2024年2月25日，星期天3電磁波波段代號波段代號頻率范圍/GHZ頻率范圍/GHZUHF0.3～1K18～27L1～2Ka27～40S2～4U40～60C4～8V60～80X8～12W80～100Ku12～18微波波段的劃分300MHz3000GHz可見光1m電磁波譜0.1mm頻率波長3GHz30GHz300GHz10cm1cm1mm普通無線電波紅外線紫外線亞毫米微波分米厘米毫米中波短波超短波長波第3頁,共71頁，2024年2月25日，星期天濾波器的基本原理

濾波器定義

顧名思義就是對電磁波信號進行過濾，讓需要的信號通過，抑制不需要的信號，主要目的為了解決不同頻段、不同形式的無線通訊系統(tǒng)之間的干擾問題，其特性可以用通帶工作頻段、插入損耗、帶內(nèi)波動、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數(shù)、功率容量、群時延指標來描述。第4頁,共71頁，2024年2月25日，星期天濾波器的基本形式低通濾波原型第5頁,共71頁，2024年2月25日，星期天低通濾波器電路原型第6頁,共71頁，2024年2月25日，星期天低通原型濾波器的理想化衰減一頻率特性如圖1所示?？v坐標代表衰減量，橫坐標代表頻率。當田w小于w1,時,信號的衰減量近似等于零,稱之為通帶;當w>w1,時,信號的衰減量近似為無窮大,稱之為阻帶,其中w1稱為“截止頻率”。實際上,濾波器根據(jù)其所逼近的函數(shù)不同分為：最平坦低通濾波器（巴特沃茲濾波器）、切比雪夫低通濾波器、橢圓函數(shù)低通濾波器。第7頁,共71頁，2024年2月25日，星期天低通原型濾波器的衰減一頻率特性；(a)巴特沃斯響應(yīng)；(b)切比雪夫響應(yīng)(c)橢圓函數(shù)低通原型（a）（b）（c）第8頁,共71頁，2024年2月25日，星期天(1)

巴特沃斯低通濾波器：如圖(a)所示,通帶內(nèi)衰減曲線內(nèi)十分平坦,被稱為“最平坦響應(yīng)”又被稱做“巴特沃斯（Butterworth）響應(yīng)”。其逼近函數(shù)為:第9頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（2）切比雪夫低通濾波器如圖(b)所示,通帶內(nèi)的衰減曲線幅度相等,而且具有規(guī)律性的起伏、變化,于是被叫做“等波紋響應(yīng)”,又被稱為“切比雪夫(Tchebyscheff)響應(yīng)”。其逼近函數(shù)：其中第10頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（3）橢圓函數(shù)低通濾波器其原型濾波器又被叫做考爾(Cauer)濾波器,它的通帶和阻帶都具有切比雪夫的波紋特性。其低通原型的逼近函數(shù)為:其中第11頁,共71頁，2024年2月25日，星期天濾波器頻率變換（1）低通到高通的變換第12頁,共71頁，2024年2月25日，星期天如圖2.4所示,分別給出了低通原型濾波器和高通濾波器的頻率一衰減曲線,令它們的頻率分量分別為w‘和w。通過相應(yīng)的頻率變換準則,可將低通原型濾波器轉(zhuǎn)換成高通濾波器,即將低通原型的通帶和阻帶分別變換成高通濾波器的阻帶和通帶。直觀地說就是將圖2.4中的頻率一衰減曲線中的w‘=0和w'=無窮大的點分別變換成w=無窮大。和w=o的點，其頻率變換的數(shù)學(xué)表達式為:第13頁,共71頁，2024年2月25日，星期天低通原型和高通濾波器中的電感、電容變換公式為：第14頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（2）低通到帶通第15頁,共71頁，2024年2月25日，星期天同理，其頻率變換數(shù)學(xué)表達式為：低通原型濾波器和帶通濾波器的電感、電容變換公式分別為：第16頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（3）低通到帶阻的頻率變換第17頁,共71頁，2024年2月25日，星期天低通到帶阻的頻率變換表達式：低通原型與帶阻濾波器電感、電容之間的變換關(guān)系：第18頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標通帶工作頻段指濾波器允許通過電磁波的頻率范圍。通帶的理解在生產(chǎn)過程提供的技術(shù)指標規(guī)定嚴格了的，不需要怎樣的去按照上面的定義去具體計算。也可以這樣說，如果我們的差損要求是0.8db，通帶需要10M的帶寬，那么我們的通帶就可以說成是0.8db帶寬為10M.第19頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標插入損耗又稱衰減,在理想情況下，插入到射頻電路中的理想濾波器，不應(yīng)在其通帶內(nèi)引入任何功率損耗.然而現(xiàn)實中我們無法消除濾波器固有的，某種程度的功率損耗。插入損耗定量的描述了功率響應(yīng)幅度與0dB基準的插值,其數(shù)學(xué)表達式為:其中PL是濾波器向負載輸出的功率，Pin是濾波器從信號源得到的輸入功率，一般希望插入損耗越小越好。第20頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標帶內(nèi)波動在規(guī)定的帶寬內(nèi),插入損耗最大點減去最小點的即為帶內(nèi)波動。又叫帶內(nèi)波紋或者通帶波紋。指通帶內(nèi)信號幅度的起伏程度，也受限于諧振器的固有Q值，一般希望盡可能的小。第21頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標帶外抑制又稱阻帶抑制,理想的濾波器是矩形的，通帶內(nèi)的信號全部通過，通道外的信號全部過濾掉。實際情況是，只能過濾掉一部分能量，帶外抑制度反應(yīng)了對過濾信號的衰減幅度，對不需要的頻率點，信號的抑制能力，一般希望盡可能的大，并在通帶范圍外陡峭的下降，通常取帶外與帶寬為一定比值的某一頻率的衰減值作為此項指標。帶外抑制這個概念實際上還是屬于損耗的范疇，只是我們現(xiàn)在所說指的是在通帶外，信號的衰減已經(jīng)被抑制得比較充分，這個具體的損耗值就是帶外抑制的值。第22頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標端口駐波比端口駐波是衡量濾波器性能的一個關(guān)鍵指標，反應(yīng)濾波器件與系統(tǒng)中其它部件的匹配程度。當系統(tǒng)不匹配時,饋線上同時存在入射波Ei和反射波Er。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波電壓與反射波電壓的幅度相加形成一個最大電壓振幅Emax，稱為波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓幅度相減形成一個最小電壓振幅Emin，稱為波節(jié)。其它各點電壓的幅度值則介于波腹與波節(jié)之間，這種合成波稱為駐波。

第23頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標電壓駐波比則是波腹電壓與波節(jié)電壓的比值，即Ei為入射波電壓,Er為反射波電壓,當ZL和Z0都為實數(shù)時第24頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標第25頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標駐波比的另一個含義相同的名稱是回波損耗，單位為分貝（dB），二者可如下?lián)Q算：第26頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標隔離度為了區(qū)分在有兩個或者兩個以上通帶情況下（例如雙工器，合路器）相互通帶之間的帶外抑制，這時我們統(tǒng)一稱帶外抑制為隔離。以雙工器為例說明：收發(fā)隔離是指在網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個通道分別接rx與tx端，而ATN端接50歐姆負載時，整個頻段（TX的高端點與RX的低端點之間的帶寬）或者兩個通帶內(nèi)（RX頻帶內(nèi)和TX頻帶內(nèi)）s12或者s21的值。

第27頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標矩形系數(shù)矩形系數(shù)是60dB帶寬3dB帶寬的比值,它描述了濾波器在截止頻率附近響應(yīng)曲線變化的陡峭程度:第28頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標功率容量濾波器能承受的最大信號通過功率，濾波器的脈沖功率容量由其中強電場對介質(zhì)的擊穿來確定，這與濾波器的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)強度有關(guān)。通常同軸線和帶狀線結(jié)構(gòu)的功率容量至少要比矩形波導(dǎo)小6、7倍，而矩形波導(dǎo)又比圓波導(dǎo)小4倍左右.第29頁,共71頁，2024年2月25日，星期天帶通濾波器技術(shù)指標群時延信號通過濾波器時的延遲時間，可用以下公式表示：其中φ為濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)Ea/EL的相位，對于N個諧振器的帶通濾波器，通帶內(nèi)的群時延可近似估計為：第30頁,共71頁，2024年2月25日，星期天濾波器的分類

微波濾波器的分類方法很多，根據(jù)通頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型；根據(jù)工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器；按濾波器的傳輸線分類可分為微帶濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、陶瓷介質(zhì)濾波器、SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器、高溫超導(dǎo)材料等。這里按照傳輸線的分類來對各種微波濾波器的主要特性進行詳盡的分析。第31頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（一）微帶濾波器主要性能指標：頻率范圍：500MHz～6GHz帶寬：10%～30%插入損耗：5dB(隨帶寬不同而不同)輸入輸出形式：SMA、N、L16等輸入輸出駐波:1.8:1

第32頁,共71頁，2024年2月25日，星期天微帶濾波器微帶濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、微帶類橢圓函數(shù)濾波器、交指型濾波器。半波長平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應(yīng)用的帶通濾波器形式。其結(jié)構(gòu)緊湊、第二寄生通帶的中心頻率位于主通帶中心頻率的3倍處、適應(yīng)頻率范圍較大、適用于寬帶濾波器時相對帶寬可達20%。其缺點為插損較大，同時，諧振器在一個方向依次擺開，造成濾波器在一個方向上占用了較大空間。

第33頁,共71頁，2024年2月25日，星期天半波長諧振器平行耦合濾波器（帶通）(a)窄帶結(jié)構(gòu)(b)寬帶結(jié)構(gòu)第34頁,共71頁，2024年2月25日，星期天發(fā)夾型濾波器：和平行耦合線濾波器結(jié)構(gòu)相比，發(fā)夾型濾波器具有緊湊的電路結(jié)構(gòu)，減小了濾波器占用的空間，容易集成，并且降低了成本。發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結(jié)構(gòu)，是將半波長耦合諧振器折合成U字型構(gòu)成的，因此與交指式、梳狀線式等其他微波濾波器結(jié)構(gòu)相比，其電路結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有體積小，微帶線終端開路無需過孔接地，易于制造等優(yōu)點。第35頁,共71頁，2024年2月25日，星期天發(fā)夾型濾波器5階發(fā)夾型濾波器電路圖第36頁,共71頁，2024年2月25日，星期天微帶類橢圓函數(shù)濾波器：平行耦合線濾波器、交指型濾波器等，獲得在帶內(nèi)較平坦的幅頻特性，但帶外抑制特性較差。微帶類橢圓函數(shù)濾波器，通過在帶外引入衰減極點，能明顯改善濾波器的帶外特性，比平行耦合線濾波器、交指型濾波器有更好的電特性。并且微帶類橢圓函數(shù)濾波器具有較小的體積，同時，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜的無載Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時又具有較低的插損，具有很好的應(yīng)用前景。第37頁,共71頁，2024年2月25日，星期天微帶類橢圓函數(shù)濾波器4階微帶開路環(huán)帶通濾波器第38頁,共71頁，2024年2月25日，星期天交指型微帶濾波器（微帶、腔體皆可）：頻率范圍：800MHz～16GHz帶寬：10%～100%，特殊要求3％～70％插入損耗：0.5～2dB(隨帶寬不同而不同)阻帶抑制：近端過渡帶決定于濾波器節(jié)數(shù)，遠端一般大于70dB輸入／輸出阻抗：50Ω輸入／輸出駐波：VSWR≤1.7:1（特別要求時可≤1.5:1）通過功率：5W（特別要求時可達100W）溫度：-55～+85℃輸入輸出形式：SMA、N、L16等第39頁,共71頁，2024年2月25日，星期天交指型濾波器：交指型微帶帶通濾波器的工作原理可以這樣解釋:將平行藕合微帶濾波器相鄰的兩個藕合線節(jié)從中點處切斷，并折迭起來，合并為一根藕合線節(jié)，將其一端短路接地，另一端開路，并保持相鄰兩級線節(jié)之間的藕合間隙不變，形成交指型結(jié)構(gòu)。第40頁,共71頁，2024年2月25日，星期天交指型濾波器：平行耦合線到交指耦合型濾波器的演變第41頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（二）同軸濾波器主要性能指標：頻率范圍：800MHz~16GHz帶寬：0.1%～10％插入損耗：0.5～25dB(隨帶寬不同而不同)輸入輸出形式：SMA、N、L16等輸入輸出駐波：1.4:1溫度：-55～+85℃第42頁,共71頁，2024年2月25日，星期天同軸腔濾波器：同軸腔濾波器廣泛應(yīng)用于通信、雷達等系統(tǒng),按腔體結(jié)構(gòu)不同一般分為標準同軸、方腔同軸等。同軸腔體具有Q值高、易于實現(xiàn)的特點,特別適用于通帶窄、帶內(nèi)插損小、帶外抑制高的場合。這類濾波器非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此成本也非常低廉。但要在10GHz以上使用時，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難達到。具體的設(shè)計有方法負阻線子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了多腔耦合的同軸帶通濾波器電路模型；同軸腔體濾波器溫度補償法；階躍阻抗諧振器等。第43頁,共71頁，2024年2月25日，星期天主要由諧振腔、諧振導(dǎo)體、調(diào)諧釘組成第44頁,共71頁，2024年2月25日，星期天無加載電容第45頁,共71頁，2024年2月25日，星期天濾波器的結(jié)構(gòu)第46頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（三）波導(dǎo)濾波器主要性能指標：頻率范圍：1.7～26GHz帶寬：0.1%～20％插入損耗：0.5～3dB(隨帶寬不同而不同)輸入輸出形式：SMA、N、L16等輸入輸出駐波：1.3:1溫度：-55～+85℃第47頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（三）波導(dǎo)濾波器波導(dǎo)濾波器Q值高，插損小，溫度穩(wěn)定性好，特別適合于窄帶應(yīng)用。在1.7～26GHz的頻率范圍內(nèi)可實現(xiàn)0.2％～3.5％帶通濾波，在各種要求高性能濾波特性的軍用電子產(chǎn)品中被廣泛使用。波導(dǎo)濾波器中比較常見的有兩種：金屬波導(dǎo)濾波器（直接耦合式）和基片集成波導(dǎo)濾波器。第48頁,共71頁，2024年2月25日，星期天金屬波導(dǎo)濾波器：金屬波導(dǎo)濾波器由于其適用頻段高、插入損耗小、功率容量大、加工簡單,現(xiàn)在仍然被廣泛應(yīng)用于微波工程領(lǐng)域,尤其在雷達系統(tǒng)的信號發(fā)射端,由于其較高的工作頻段和功率容量、使其相對于微帶濾波器和腔體濾波器,都有明顯的優(yōu)勢。第49頁,共71頁，2024年2月25日，星期天金屬波導(dǎo)濾波器實物圖第50頁,共71頁，2024年2月25日，星期天基片集成波導(dǎo)濾波器：基片集成波導(dǎo)(Substrateintegrated

waveguide,簡稱SIW)是一種新型的平面化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。SIW通過在介質(zhì)的上下表面渡上導(dǎo)體,并周期性地在基片的兩側(cè)嵌入孔距較小的金屬孔，這兩排金屬孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄壁,上面表面的金屬涂層形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的長邊,因此可以起到和金屬壁一樣限制電磁波向外福射的效果,從而把電磁波限制在一定范圍內(nèi)向前傳播。第51頁,共71頁，2024年2月25日，星期天基片集成波導(dǎo)濾波器示意圖：第52頁,共71頁，2024年2月25日，星期天文獻中的基片集成波導(dǎo)濾波器實物：第53頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（四）MEMS毫米波濾波器MEMS是Micro

Electro

Mechanical

System（微電子機械系統(tǒng)）的縮寫,它是一種智能系統(tǒng),具備能量轉(zhuǎn)換和信息處理的能力,可以在類似于桂這樣的襯底材料上實現(xiàn)大批量加工生產(chǎn)，廣泛用于毫米波電路系統(tǒng)中。第54頁,共71頁，2024年2月25日，星期天MEMS濾波器

基于MEMS工藝的毫米波帶通濾波器,該濾波器結(jié)構(gòu)采用高阻硅作為襯底材料的薄膜支撐結(jié)構(gòu),選用平行耦合濾波器形式。第55頁,共71頁，2024年2月25日，星期天工藝流程1.上蓋板的制作ICP刻蝕3μm第56頁,共71頁，2024年2月25日，星期天2.薄膜支撐基板制作第57頁,共71頁，2024年2月25日，星期天(L)成品第58頁,共71頁，2024年2月25日，星期天李倩、楊志、胡小東.MEMS毫米波濾波器的設(shè)計與制作[J].微納電子技術(shù),2010年3月,第47卷第3期/analog/17769.html參考文獻第59頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（五）陶瓷介質(zhì)濾波器多層陶瓷微波濾波器是經(jīng)過電子陶瓷材料流延成型工藝,低溫疊層燒結(jié)技術(shù),高精度印刷疊層技術(shù)及封裝技術(shù)等多種工藝流程而制成的高頻多層陶瓷微波濾波器。它具有頻率高、體積小、插損小、衰減大的特性,在移動通信、數(shù)字化家電等產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。第60頁,共71頁，2024年2月25日，星期天多層陶瓷微波濾波器是通過在介質(zhì)層上的印刷金屬圖案構(gòu)成分布電容C和分布電感L,同時位于不同介質(zhì)層上的金屬圖案層之間形成耦合電容而得到的。其實質(zhì)是用帶狀線來實現(xiàn)濾波器的設(shè)計。疊層后,介質(zhì)層上的印刷金屬圖案就相當于處于介質(zhì)中的帶狀線,當設(shè)計不同長度和不同寬度的金屬圖案層時,就可以得到不同的L和C。因此,通過設(shè)計金屬圖案層的形狀和選用適當?shù)慕橘|(zhì)時,就可得到在某一特定頻率發(fā)生諧振,同時滿足帶內(nèi)插損、帶寬和阻帶等各項指標要求的濾波器。第61頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（六）聲表面波濾波器聲表面濾波器是在一塊具有壓電效應(yīng)的材料基片上蒸發(fā)一層金屬膜，然后經(jīng)光刻，在兩端各形成一對叉指形電極組成。當在發(fā)射換能器上加上信號電壓后，就在輸入叉指電極間形成一個電場使壓電材料發(fā)生機械振動（即超聲波）以超聲波的形式向左右兩邊傳播，向邊緣一側(cè)的能量由吸聲材料所吸收。在接收端，由接收換能器將機械振動再轉(zhuǎn)化為電信號，并由叉指形電極輸出。第62頁,共71頁，2024年2月25日，星期天聲表面波的激勵與接收第63頁,共71頁，2024年2月25日，星期天聲表面波濾波器的特點是：（1）頻率響應(yīng)平坦，不平坦度僅為±0.3-±0.5dB，群時延±30-±50ns。（2）SAWF矩形系數(shù)好，帶外抑制可達40dB以上。（3）插入損耗雖高達25-30dB，但可以用放大器補償電平損失。聲表面波濾波器具有選頻特性，其特性取決于叉指換能器電極的形狀、間距、交叉長度和電極數(shù)目等，只要合理設(shè)計，便可獲得接近理想的中頻幅頻特性。（4）聲表面波濾波器體積小，重量輕、性能可靠、不需要復(fù)雜調(diào)整。（5）頻率范圍為10MHz-3GHz第64頁,共71頁，2024年2月25日，星期天（七）SIR濾波器（帶阻）階躍阻抗諧振器(SIR)是由兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。λ／4型SIR是其中最具吸引力的一種形式。它既能減小濾波器尺寸，又能通過調(diào)節(jié)阻抗比來很好控制雜散頻率，實現(xiàn)濾波器小型化和寬阻帶的要求。梳狀線形式的濾波器由于一端的電容加