射频通信电路_黄卡玛_滤波电路设计

1、射频通信电路第五章 滤波电路设计射频通信电路第5章 滤波电路设计n5.1 谐振电路和滤波电路的基本结构n5.1.1 谐振电路的类型和基本参数n5.1.2 一阶滤波电路n5.2 集总参数滤波电路n5.2.1 巴特沃兹滤波电路n5.2.2 契比雪夫滤波电路n5.2.3 归一化滤波电路的变换n5.3 分布参数滤波电路n5.3.1 基本方法n5.3.2 低通滤波电路的设计n5.3.3 带阻滤波电路n5.3.4 带通滤波电路射频通信电路5.1 谐振电路和 滤波电路的基本结构n5.1.1 谐振电路的类型和基本参数归一化的角频率W定义为实际角频率w与中心角频率（截止频率）wC的比值，定义为CwwW 射频通信

2、电路插入损耗 （Insertion Loss）n插入损耗：描述滤波电路在通带内对传输信号的损耗。n定义为从信号源入射到滤波电路的功率PIN与匹配负载得到功率PL的比值，采用分贝可以表示为10dB10logINLPILP射频通信电路波纹系数 （Ripple）n波纹系数：滤波电路通带内的平坦度可以用波纹系数来描述，单位为分贝。n波纹系数表示在通带内滤波电路响应的最大值和最小值的差值。射频通信电路频带宽度n频带宽度：定义为滤波电路的通带内在达到3dB衰减对应的高端截止频率fH和低端截止频率fL的差值。3dBHLBWffBW BandWidth射频通信电路矩形系数 （Shape Factor）n矩形系

3、数：描述了滤波电路的响应在截止频率附近的陡峭变化的特性。n矩形系数越高，滤波电路的响应越陡峭。n矩形系数SF定义为60dB带宽与3dB带宽的比值 60dB60dB60dB3dB3dB3dBHLHLffBWSFBWff射频通信电路阻带抑制 （Depression）n阻带抑制：在理性情况下希望滤波电路在通带外能够具有无穷大的衰减，但实际滤波电路只能达到一个有限的衰减量。 n通常为了与矩形参数比较，定义阻带抑制为60dB。 射频通信电路品质因数 （Quality Factor）n滤波电路的品质因数定义为在谐振频率下，平均储能和一个周期内的平均能量消耗之比。n滤波电路的品质因数Q可以用公式表示为CCS

4、tordedLossWQPw ww www平均储能功率损耗射频通信电路5.1.2 一阶滤波电路n1. 低通滤波电路射频通信电路两端口网络等效电路 12341011101101011GLAAAAARRj CRw射频通信电路两端口网络等效电路 1111GGLLRRj CRRRAj CRww21112011GLivARRj CvRw 21111111GLvvARRj CRww0w射频通信电路两端口网络等效电路 21111GGLvHvRRj C RRRwwww 1101020log20logHH www ImarctanReHHww幅度特性相位特性射频通信电路5.1.2 一阶滤波电路n2. 高通滤波电

5、路射频通信电路2. 高通滤波电路检验1阶高通滤波电路的特性 10101111101111111GLGGLLRRARj LRRRRj LRj LRwww 1111GLHRRj LRww射频通信电路5.1.2 一阶滤波电路n3. 带通和带阻滤波电路带通带阻射频通信电路3. 带通和带阻滤波电路 11LGLLGLRHRRj LRj CRRRRjLCwwwww当频率为零（w0）当频率为无穷大（w）射频通信电路3. 带通和带阻滤波电路R=20W，L=5nH，C=2pF，RL=RG=50W。01110GHz52LCnHpFw射频通信电路3. 带通和带阻滤波电路幅度特性相位特性射频通信电路3. 带通和带阻滤波

6、电路 21111LGLvRHvRRjCRLwwwL=5nH，C=2pF，RL=RG=50W当w0或者w时估算截止频率射频通信电路3. 带通和带阻滤波电路射频通信电路3. 带通和带阻滤波电路001FLQRRCww001EELQRRCww001LEELQRRRRCww111LFEQQQ射频通信电路3. 带通和带阻滤波电路100000000011112wwwwwwwwwwwwwwww 00wwww00022LLEffffdQdXQdfRRdf0022LLLLfQQQQfww021022LLLLEELLQQQQRRRRwwww0102LLEELLEELLQQRRRRLLQQRRRRwwwwww射频通信

7、电路3. 带通和带阻滤波电路 00Im2ReLffdZfQZdf 00Im2ReLffdYfQYdf0002001212LEffEEdLfCQRRdfLRRCLRRwwwww例如射频通信电路4. 插入损耗插入损耗11EEEELDELDFRLZRjLRRjCRRRRC RRQRRjQQwwww射频通信电路4. 插入损耗插入损耗220222012 21GLDLINLDEVQPZPZZQQ22210102110log10logLDEINLLDQQPILPQ101010log20logINELLDPQILPQ3dB0012LDBWQfww品质因数与插入损耗射频通信电路4. 插入损耗插入损耗参数为：Z0

8、=50W，ZL=ZG=Z0，R=10W，L=50nH，C=0.47pF，信号源电压为VG=5V。求：a）滤波电路的固有品质因数QF，加载品质因数QLD和外电路品质因数QE；b）信号源的最大输出功率PM；c）在谐振频率下负载吸收的功率PL和插入损耗IL；d）滤波电路的3dB带宽BW3dB。射频通信电路4. 插入损耗插入损耗a）滤波电路的谐振频率f0为在得到滤波电路的谐振频率f0后，可以计算得到滤波电路的固有品质因数QF为滤波电路的加载品质因数QLD为滤波电路的外电路品质因数QE为011.04GHz2fLC032.6FLQRw002.972LDLQRZw003.262ELQZw射频通信电路4. 插

9、入损耗插入损耗b）负载与信号源内阻相等，最大输出功率PM为c）谐振频率w0，负载得到的功率PL在谐振频率w0下，滤波电路的插入损耗IL为d）滤波电路的带宽可以根据加载品质因数QL计算3dB0350MHzLfBWQ10log0.82dBMLPILP22222251.71LDLDLININELDEQQPPPmWQQQ2062.58GMVPmWZ射频通信电路5.2 集总参数滤波电路n5.2.1 巴特沃兹滤波电路1010log23dBIL 222101010log110log1NINILa W截止频率wC上滤波电路有3dB的损耗射频通信电路5.2.1 巴特沃兹滤波电路首个元件串联首个元件并联射频通信电

10、路5.2.1 巴特沃兹滤波电路带外衰减2101010log20logNNWW射频通信电路5.2.1 巴特沃兹滤波电路设计一个归一化的巴特沃兹滤波电路，在2倍截止频率处具有30dB以上的衰减，要求与信号源相连的第一个元件为电感。l 确定阶数Nl 确定基本电路l 确定电路参数射频通信电路确定阶数NN=5射频通信电路确定基本电路电路的连接方式射频通信电路巴特沃兹低通滤波电路射频通信电路巴特沃兹滤波电路的相移相移群时延 21221NgdtAANdWW WW2121NAAW WW射频通信电路线性相移巴特沃兹滤波电路 2121NAAW WW W W1210AA随着频率变化，相位没有突变牺牲截止频率附近的频

11、率陡峭特性射频通信电路5.2.2 契比雪夫滤波电路n插入损耗n带外衰减 221NHILa TWW 22124NaW W射频通信电路5.2.2 契比雪夫滤波电路插入损耗带外衰减射频通信电路5.2.2 契比雪夫滤波电路比较3阶归一化低通滤波电路的频率特性：3dB巴特沃兹滤波电路、线性相移巴特沃兹滤波电路、3dB契比雪夫滤波电路、0.5dB契比雪夫滤波电路。射频通信电路5.2.2 契比雪夫滤波电路对于四种滤波电路，得到参数为：1）3dB最大平滑滤波电路：L1=1H，C2=2F，L3=1H；2）线性相移滤波电路：L1=1.255H，C2=0.5528F，L3=0.1922H；3）3dB等波纹滤波电路：

12、L1=3.3487H，C2=0.7117F，L3=3.3487H；4）0.5dB等波纹滤波电路：L1=1.5963H，C2=1.0967F，L3=1.5963H。1221/INLZj Lj LRj C WWW 21010log1INILW W 射频通信电路5.2.3 归一化滤波电路的变换n1. 映射到低通滤波电路0wwW射频通信电路1. 映射到低通滤波电路映射变换关系0011LCZj LjLj LZj Cj Cj Cwwwwww W W0011LLCCww射频通信电路1. 映射到低通滤波电路设计一个3阶3dB等波纹契比雪夫低通滤波电路，信号源和负载的阻抗为Z0=1W，截止频率为f0=1GHz。

13、归一化3dB等波纹契比雪夫低通滤波电路的参数为：L1=3.3487H，C2=0.7117F，L3=3.3487H1139022903.34870.53322100.71171132210LHLLnHfCFCpFf射频通信电路1. 映射到低通滤波电路射频通信电路2. 映射到高通电路归一化LPF映射到HPF W W01ww W射频通信电路2. 映射到高通电路映射变换关系0011LCZj LjLj CZj Lj CjCwwwwww W W0011CLLCww射频通信电路2. 映射到高通电路设计一个3阶3dB巴特沃兹最大平滑高通滤波电路，信号源和负载的阻抗为Z0=1W，截止频率为f0=1GHz。归一化

14、3阶3dB巴特沃兹最大平滑滤波电路的参数为：L1=1H，C2=2F，L3=1H130120211592179.52CCpFf LLpHf C射频通信电路3. 映射到带通和带阻滤波电路00LPFHPFwwwwW W 低通滤波电路 高通滤波电路LPF+HPF|BPF .or. BSF00BPFBPFwwwwW 射频通信电路3. 映射到带通和电阻滤波电路带通+平移000000011ULULwwwwwwwwwwwwwwwW 0BWwW 000110011LLUUwwwwwwwwww W W W W 射频通信电路3. 映射到带通和电阻滤波电路001LULCULZj LjLj Lj CYj CjCj Cj

15、 Lwwwwwwwwww W W串联电路并联电路2011ULULLLCLwwwww2011ULULLCCCwwwww射频通信电路3. 映射到带通和电阻滤波电路n带阻滤波电路201ULULLLCLwwwww2011ULULLCCCwwwww带通滤波电路中的电感和电容替换为 电容和电感射频通信电路4. 阻抗变换1GGGGLLGRRLLRCCRRRR 原型滤波电路阻抗的变换方法：将滤波电路电抗元件、信号源阻抗、负载阻抗都按照相同的比例变化可以维持原型滤波电路的频率响应特性不变射频通信电路设计实例设计一个3阶带内波纹为3dB的契比雪夫带通滤波电路，中心频率为f0=2.4GHz，带宽BW=20%f0，输

16、入和输出阻抗为50W。求滤波电路中电抗元件的数值，并绘出1GHz至4GHz频率范围内滤波电路的频率响应。射频通信电路设计步骤n归一化的3dB契比雪夫低通滤波电路n频率变换n低通带通n电路的变换n阻抗变换n1W50Wn实际滤波电路射频通信电路设计结果射频通信电路5.3 分布参数滤波电路n5.3.1 基本方法n1. Richards变换 00cottanINZZjZljlw TML O.C.电容 电感射频通信电路1. Richards变换000121tantan84INYjjZZW W 001ta41nCINYjSjYZCZwwW W 0LINLjZZZSwwW 射频通信电路2. 单位元件 Uni

17、t ElementcossinsincosUEUEUEUEUEUEljZlABUEjllCDZ2cossin14411sin14cos4UEUEUEUEjZZSUESjSZZWWWWtan4SjjW 01ffW 一段长度0/8的无耗传输线称为单位元件 射频通信电路3. Kuroda规则Kuroda规则就是一种利用单位元件进行电路变换的规则n串联并联电路变换n元件参数的变换射频通信电路3. Kuroda规则 122112121212210111111111CLSZAAUESSSZZSZZZZSSSZ ZZ101CCAY1211111SZUESSZ 1212121221111RSZAZZZSSSZ

18、 ZZ 2122122212211111011111LRZSSZNAUEANNSSZSZZNZNSSSZZ101LLZA射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计1 归一化低通滤波的电路2 使用Richards变换传输线 替代 电感和电容3 使用Kuroda规则串联的终端短路 转变 终端开路传输线4 阻抗变换到实际的滤波电路5 计算微带传输线的特征阻抗和长度射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计截止频率为f0=3GHz的微带低通滤波电路通带内波纹为0.5dB在两倍截止频率处具有不小于40dB的带外衰减输入和输出阻抗为Z0=50W线路板的厚度为H=1mm介质的相对介电常数为r=2.7。射频通

19、信电路5.3.2 低通滤波电路的设计截止频率为f0=3GHz的微带低通滤波电路基本参数通带内波纹为0.5dB Chebyshev 滤波电路在两倍截止频率处具有不小于40dB的带外衰减阶数输入和输出阻抗为Z0=50W线路板的厚度为H=1mm介质的相对介电常数为r=2.7实际电路板射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计Richards 变换射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计阻抗变换射频通信电路5.3.2 低通滤波电路的设计射频通信电路5.3.3 带阻滤波电路00

20、00cottan22LbfSjw wwwww 000000cottan22tancot22UULLUbfSjjjw wwwwwwwwwww 0cottan22LLLbfSjjw ww wwwW0ULsbwwww02ULwww0cotcot1222Lsbwbfww射频通信电路5.3.3 带阻滤波电路设计一个输入输出阻抗为Z0=50W，具有最大平滑特性的3阶带阻滤波电路。要求中心频率为f0=4GHz，阻带宽度sbw=0.5（即带宽为2GHz）。已知微带线路板的厚度为1mm，基质的相对介电常数r=2.7，微带的厚度（金属导带）可以忽略不计。射频通信电路5.3.3 带阻滤波电路1320.41421.207ZZZ03cotcot0.414228Lbfww1312221ZZbfgYbfgZ2202021tan1224ULULZbfgggwwww ww射频通信电路5.3.3 带阻滤波电路射频通信电路5.3.4 带通滤波电路n1. 奇模和偶模激励11111211112EEPEPEOOPOPOZC vC vZC vCCv11121112OOOOdVjLLIdzdIjCCVdzww11121112EEEEdVjLLIdzdIjCCVdzww射频通信电路5.3.4 带通滤波电路微带线之间距离S的增加偶模阻抗ZE趋于下降奇模阻抗Z