《现代微波滤波器的结构与设计》读书笔记

1、第一章微波滤波器的地位、发展和选用1.1 概述本章的目的是：(1)对微波滤波器提供一个纲要性的介绍，以便从品种繁多、性能各异的微波滤波器选用所需的结构和设计方法。(2)简要地讨论微波滤波器的在微波工程中的地位、发展和应用，以使读者明确，本书的对象不仅是微波滤波器的研制人员，而且可能为更广大的读者服务，例如需要宽频带天线馈电设备的天线研制人员；需要宽频带阻抗匹配装置的微波电子器件的研制人员；需要微波时延网络的总体工程技术人员，以及其他特殊微波电路设计的广大工程技术人员等等。1.2 微波滤波器的进展这里只对近年来的主要进展和发展趋势作一简单的概括。(1)从个别应用到一般应用随着微波理论和技术的发展

2、，微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大。(2)设计方法从繁到简、从粗糙到精确(3)形式多样和元件化、标准化由于应用广泛和设计制造工艺的进展，微波滤波器已从极少的几个品种发展到数以十记的结构类型。一些常用的结构已元件化和标准化。印刷电路式或微波集成电路式的微波滤波器亦开始广泛研制。(4)与其他有源或无源的微博元件和器件的结合日益密切现在，微波滤波器已成为无源微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的任务，而且还代替其他一些微波元件的功能，或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来设计。半导体器件工艺飞跃进步及其向更高频的发展，

3、已使得微波滤波器技术也用于各种半导体器件中，例如倍频器、变频器、放大器以及二极管相移器、开关和调制器等等，在微波集成电路中它们结合成一个整体。(5)各种新型材料用于微波滤波器微波材料的进步及其在微波滤波器中的应用，大大地提高了滤波器的性能。例如微波铁氧体、铁电体、等离子体、超导体都已开始成功地用于微波滤波器中。(6)调谐的高速和自动化众所周知，当初微波单腔谐振器的调谐已相当困难，更不用说多个谐振器组合成的滤波器了。但现在已可对微波滤波器进行快速电调，例如轨铁石榴石磁调滤波器和变容管电调滤波器就是最好的范例。(7)向新波段进军人们对毫米波和亚毫米波滤波器的兴趣正在日益增长，研制这一新波段的滤波器

4、除发展厘米波波段已有的技术外，还广泛引用光学上的成果。可以预料，随着新型功率源和传输线的研制，这些新波段滤波器的研制工作将更加活跃。1.3 微波滤波器的流程图.1可用唯时金c可用魔雄什一雇明展号*1COJS0号出设货一近以*由U.AL盾波通技者沟流用的补充说明：(1)区别于低频滤波器，微波滤波器的主要特点之一就是其尺寸可与波长相比拟。因而当波长变化时，它必然表现出周期特性，即滤波器除主响应外，还有周期性的副响应。因此，其第二个附加响应的位置常是一个十分重要的指标。(2)描述微波滤波器响应优劣的指标之一是从通带过渡到阻带的快慢，称之为响应的“边缘陡度”或滤波器的“选择性”。(3)在分析微波滤波器

5、时，常忽略其谐振器的损耗，但事实上谐振器的Q值是有限的。无载Q值越高，对于一定的相对带宽，该滤波器通带的插入衰减就越小，因此无载Q值也是选用滤波器时应当注意的问题。1.4 常用微波滤波器的比较(1)直接耦合或1/4波长耦合谐振器滤波器这是一种端耦合滤波器，它适用于同轴线、带状线、波导各种形式。其设计方法有而，一是基于集总元件低通原型，另一是基于阶梯阻抗变换器原型。前法适用于较小的相对带宽«20%)和中等通带纹波的窄带带通滤波器的设计，而后法则适用于较大的相对带宽(>20%乃至倍频程)和较小的通带纹波(例如0.01dB)的宽带带通或高通滤波器的设计。实用中，同轴线高通滤波器以这种

6、结构最为流行。在波导带通滤波器中，它是最简单应用最广而性能又相当优良的形式。显然，当做成同轴线或带状线形式时，需要介质支撑。(2)平行耦合式带通滤波器当谐振器不用端耦合，而用边耦合时，则较大的不太精确的间隙是可行的，从而制造容易。有开路耦合线和短路耦合线两种对偶形式。较少用于宽带，窄带应用广泛，用印刷电路的开路平行耦合线形式却非常方便。然而，其阻带特性并不十分理想。(3)交指型带通滤波器其结构紧凑、坚实，性能优良，制造公差要求低，有适用于各种带宽的结构和设计方法，故应用极广。有终端短路和终端开路两种基本形式，前者适于窄带，后者适于宽带，既可做成印刷薄带形式，又可做成圆杆或矩形杆自撑式，还可用人

7、为地电容加载来减小体积。(4)梳妆线带通滤波器这是一种结构更为紧凑的滤波器。在许多方面，它与电容加载的交指型滤波器很相似，但它所有的电容都加在同一边。谐振器长度取决于加载电容的大小，通常为1/8波长。其衰减特性不对称，故适于需要宽阻带应用的场所。现用的设计方法只适于窄带设计。(5)带阻滤波器波导型的带阻滤波器只适于窄带，而TEM带阻滤波器则有适于各种带宽的优良结构。(6)椭圆函数型滤波器在各种滤波器响应中，椭圆函数响应是最为优越的，因为，这种类型的滤波器通带和阻带均为等波纹特性，陡度较大，因此同样的选择性，它可以有更为紧凑的结构。1.5用滤波器来分离和叠加信号滤波器结构最直接最基本的应用当然是

8、抑制不需要的信号频率，而使需要的信号频率顺利传输。实用中常把几个滤波器组合成双工器或多工器，以分离或叠加信号。图1.5.2为一个三信道多工器示意图，它能将24千MHz的信号分到三个信道中，为了使输入端电压驻波比很低，必须专门设计各信道滤波器和特殊的接头匹配网络。反之，如果将图中信号流的方向反过来，就可以使三个信道的信号叠加在一起。显然，如果不用多工器而直接将各分信道用简单的传输线接头来叠加，则由于反射和泄露，将造成很大的能量损耗。m嘉通通也一阻用F千宛砧±卦.I升*a*册2i1_之述九生千变.-L砧T¥丸帏三值道基工族.示*超1 .6阻抗匹配网络和耦合结构为了使信号源和负载

9、间无反射传输，需要恰当设计阻抗匹配网络和耦合网络。可以证明,有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构必须是滤波器结构。1.7时延网络和慢波结构有时需要使微波能量延迟若干时间，用一段微波传输线当然可达到此目的，但不方便，若利用微波滤波器的时延特性，则可顺利地达到此目的。第二章现代微波滤波器的设计基础2 .1概述滤波器特性可用其频率响应来描述，按其特性不同，可分成低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。(|*> El J I-1也庖交该嘉靖坦(1)景平址型(h)切比雪夫型(c)切比警美熨慢方中(d)福性型工1与高0律僮“快归() 季堀些Q0切比曾充彝g 切比击去变或IT <d) 函如

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13、。影象阻抗的定义：当一个无源线性四端网络的输出端接上某一阻抗ZI2,则从网络输入端向网络看去的输入阻抗就等于乙1；如果把阻抗ZI1接在网络的输入端，而由网络的输出端向网络看去的输入阻抗就等于Zi2。如图所示，则在此网络两端互成影象关系的阻抗Zi1和Zi2称为“网络的影象阻抗”“影象传输函数”的定义是：在四段网络两端接以相应的影象阻抗的工作条件下，它的输入端复功率与输出端复功率之比的自然对数之半，称为四端网络的“影象传输函数”。影象参数与一般电路参数以及开路阻抗和短路导纳间的关系：衰£31用一般电躇,费以及开路阻扰和懈易导纳衰示毋於事敷崽常管欧用ABCD舞数蜀“z用V,工用X便的混合落

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15、r2t=2融Cfiifar%尸-t/Y；nnJh r%一¥“¥打了山ctfih f2 .4归一化低通原型滤波器2 . 5最平坦低通原型滤波器2 . 6切比雪夫低通原型滤波器2 .7双终端低通原型滤波器的对称性所有最平坦低通原型和奇数个元件的切比雪夫低通原型都是对称的。2 .8只有一种电抗元件的低通原型滤波器（1）阻抗变换器和导纳变换器匿阻抗受麋器和导纳变排骂的定义(2)只有一种电抗元件的低通原型图2.82(a)是由阻抗变换器K和串联电感所构成的低通原型，图2.82(b)是由导纳变换器J和并联电容所构成的低通原型，两者互为对偶。（*）CM图R有一加电抗元件的抵通瓶型媒台以上结

16、果得出各阻抗变换器的设计公式是（2.8-12）式中Ra,田日，L.*是任意选定的。用同样方法，可以推导出图2.3-2W的各导纳变换器导纳的设计公式为（2,73）仃后匚5 g£包i式中心.，G打C“，C上一C”是珏麻选定的©2.9椭圆函数低通原型滤波器它的参数须用椭圆函数来椭圆函数低通原型滤波器的通带和阻带都具有切比雪夫纹波,进行计算，故称为“椭圆函数滤波器”。图稿呻函数低通值型的痢率峋应2.10低通原型滤波器的时延特性(1)滤波器时延特性的一般概念滤波器的电压转移函数Ea/El的相位，称为“滤波器的传输相位”，即此滤波器上在任一频率上的相位延迟是(2J0-2)而其群延迟是a

17、 to(2.10*3)(2)最平坦时间延迟原型滤波器(3)几种原型滤波器群延迟特性的比较«的干相孰引法废的相修修酎2.11 频率变换(1)由低通到高通的频率变换(2)由低通到带通的频率变换(3)由低通到带阻的频率变换表311T刊出上述养变换式及其元怦值间的跳算美系.«=Ml率交盘及元件推薯枇N岐S类盥爨徭空他式d元件变累送林慎的推坦避吊也通到霸通叫W3；相送的边题1率叫=我独带边期率1'白-mr*-|-1|crYW-士一谒Li“M5K怔通利蒂通匕三一经)W；#&|a*v-%-3LUa叫上帝边厮率5下需以黠率-_A-J*MVfl1一3:兄E_J%产哂，口司H(

18、WL/(r皿帆c'J9r%据则希吼马JLf旦.改)卬'V川/cHF-f一位:匚EL4»渴/,Ce叫2.12 元件损耗对滤波器的影响任何构成实际微波滤波器的元件都是有损耗的，即元件的Q值是有限的，这些损耗将使滤波器的通带衰减增高，而使阻带衰减降低。在由低通原型滤波器设计微波滤波器时，最方便的办法是找出微波滤波器元件Q值与原型滤波器中元件损耗的关系，在确定元件损耗对原型滤波器响应的影响，这样即可得到有限元件Q值对微波滤波器通带和阻带衰减的影响。下面就分别讨论元件损耗对低通原型滤波器的通带衰减及阻带衰减的影响。第三章微波滤波器元件1.1 概述本章的目的是明确设计参数与微波滤

19、波器结构尺寸的关系，这里扼要地归纳一下设计微波滤波器最常用的同轴线、带状线和波导的有关公式、资料和数据，以备设计之用。1.2 横电磁波传输线的一般性质在常用的微波传输线中，平行双导线、同轴线、带状线上所传输的电磁波主模，均为横电磁波，简称为TEM波。«1传施线的常用烝啜一竟事相更轻泥把撵借常猿=£(K+jwLK。+黄M相序党岐MT的.胤g=WVLC*Y的次At构性密就工”口71,湾人阻坑".42.土.泮hr，r*+ZLanhr/工“'4+周W，市馆育域的*人航怔/*mElTi端=jZjlan3t开搭蝮的，儿码杭时尸59Z*srhfi工fZflCfAI的奇靠

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32、行耦合线的特性可以用偶模阻抗Z0e和奇模阻抗Z0o来表征。Z0e定义为方向相同的电流通过两线时，一线对地的特性阻抗;Zoo定义为方向相反的电流通过两线时，一线对地的特性阻抗。< 卜中*| J干二小一4一#图3J-1几斡平行他含绯的喊dt图<b)商模W A«网3.写2的面平号播合海带的信樽和奇格电力战分有1.6 平行耦合矩形杆带状线1.7 传输线的不连续性(1)同轴线直径的改变无论同轴线的内导体、外导体或两者的直径发生阶跃变化时，阶梯处呈现一并联等效电容Cd,其数据可用图3-7.2求得。这些等效电路是当工作频率低于第一个高次模的截止频率时才成立。2内外鼾R电和斯4丁|同命质

33、的不汇nrt强北/成他is4 勤4/1小神CCK 1.2日段钟悌的过餐电客(2)带状线中心导带宽度的改变带状线中心导带宽度的阶梯改变，其效应等效于一个与线向串联的的感抗，该感抗的计算公式如下等依电费Aii1吊式城阶抑止底片在电用通常，此值很小，可以忽略。(3)带状线直角拐弯如图3.7-4所示的带状线，中心导带拐成直角，拐角外边截成斜线，以降低拐角处的电压驻波比。该图实用于接地板间距与波长之比为b/X=0.0847,其它尺寸可由图中曲线查出。用L"于甲口他地我归案毛总物署将甯门嫁电容(5)带状线T形接头如图3.7-6(a)所示的对称带状线 T形接头，可用图3.7-6 (b)的等效电路来

34、表示。(1?蹊现图等效电路国上7-6带状线T形搂头及其等效电路1.8 传输线谐振器在许多微波滤波器的设计中，常用一段开路传输线或短路传输线作为谐振器。集总参数电路与微波电路间的等效，是按照下列方法建立起来的：集总参数等效电路中的电阻R和电导G,是在谐振频率60上由线上与此有关的数值确定的；集总参数等效电路中的电抗元件，是依据传输线谐振器的电路斜率参数确定的。用于串联谐振器的电抗斜率参数的定义是：史=生&（3.8-1）2式子中X是电路输入阻抗的电抗。用于并联谓振器的电纳斜率参数是（工8-2）式子中B是电路输入导纳的电纳。电抗和电纳斜率参数是联系传输线谐振器与集总参数等效电路的简便方法。1

35、.9 平行耦合线的滤波器节i sill影象梦数二"一三&T平行耦合线间的自然耦合，常常用来设计微波滤波器和定向耦合器。IiitTSfI穿叁"j<b）用3,9=】科种不同端口条件的平行端音观流波春节(<)图L9与三种不对称平行辆占线限及苴取导线等效电其1.10 波导的特性波导是由空心的导体管构成，它能传输电磁能，也是微波滤波器的一种常用元件。波导中可能传输的电磁波有无限个模式：一种叫“横电波”（简称“TE”模）；另一种叫“横磁模”（简称“TM”模）。通常在设计波导尺寸时，必须使其在一定波段内以主模单模传输能量。这时，它可用传输常数和特性阻抗Zo的传输线来等

36、效。波导的传输常数有唯一的定义，但其特性阻抗却无唯一的定义，通常定义为波导的波阻抗（即波导中横电场和横磁场之比）乘以常数，次常数取决于特性阻抗所用的定义。1.11 波导谐振器的谐振频率和无载Q值在设计波导滤波器谐振器中，最有用的两个特性是谐振频率和无载Q值。本节给出闭合矩形波导谐振器和圆波导谐振器的这些数值的曲线和公式。在谐振器开一个耦合小孔时，其谐振频率及无载Q值几乎与未开孔的谐振器一样。1.12 波导中的膜片和销钉加载在用波导构成微波滤波器时，需要在其中实现集总电容或电感，为此，常用插入有限厚度的金属膜片以改变其高度或宽度的方法，称为“膜片加载”。图3.121所示为改变矩形波导高度的膜片，

37、它等效于在该处并联一集总电容，故称为“电容膜片”，其值可由图中曲线求得。图3.12-2为改变矩形波导宽度的膜片，它等效于在该处并联一集总电感，故称为“电感膜片”，图中曲线是其电纳值。还可用圆柱形销钉对波导进行电感加载，如图3.12-3所示。类似于矩形波导，圆波导也能用膜片加载的办法来实现并联电容或电感。章加理土«MMtfi-4¥纸一，、一方座NUHtf拶*黑国货3Till史阳俎r»&00innmM9一:?:§="第度Lsil:E:4F，二挹地联:%,，一!?其号卡留工127co矩吞或早生速加整之三花一2-箝.门审H：波电感！iKW口&#

38、39;；出于：母：干m用一nHimra瞳陋解典憎£8知敢电路凰珀卷曲毋嘲售机之石!嘘用工才空鉴二*«¥*百他卜*甯丝川.二-7二丁；1!一:-1,HE1-J:二1j»蒙局£蜜曜B总需据国,愿h骷鬻管递里二.度雪壁罩奇崩麻圈粤粤一班阪藉博»愚宙舞藕雪峥一NUdfl-JU.V打一常尺中hM)爆，琨if。桂/忖也TiziHW-声碧即手糜博剧£巾E!F小月UlliLU_=:2;.甲piJiiium匚=口:_is-jariii-ij：DI；：'：JI.=i.ljLTil生T匚司富：，-:到爆JIWF期口国P逢k一受理到倒回言咧

39、10回考.一.：晨一h镰AHIBS_LnI:=;H:!斗一II!翻帚.Filiri一li!3:E!jlrj.:.至亚一:!寿一ilw-':_二IE一变.:.E:!:3-1JZ;iLlwnf生H-一,UHal而：靠可盲一国国善箭一出好工11通:T-塞IIB-;-需律iw嚏一应照镭r匚Fl.=_1.13 波导中的小孔耦合在微波滤波器结构中，常在波导壁上开孔或用带孔薄膜片来构成波导间或波导与谐振器间的耦合，这些耦合孔一般是很小的，可用小孔饶射理论来进行分析和研究。第四章微波低通和高通滤波器设计4 .1概述本章所讨论的，就是用分布参数传输线来模拟集总元件，这种微波结构可称之为“半集总元件”或“

40、准集总元件”，而用它们组成的滤波器可称之为“半集总元件微波滤波器”。本章所讨论的滤波器适用于100MHz到10KMHz波段。5 .2用微波结构模拟集总元件图九2-1域段统的等改电第众所周知，在微波波段中，传输线应看作分布参数电路，只有当其长度远小于波长时,才可近似地看作集总参数元件。(1)串联电感和并联电容的微波实现(2)并联电感的微波实现接珞安带状线中心等带用荏甜尊族噌制f公式中尺寸处英寸)图4.2-2TEM种媒中的井帙电罐螭构（3）串联电容的微波实现(w)>炉* JT等我电路介圆外重忧线中心号语费（就视T等效电KK近鼠）等效电路a之山配评&%与+口,抬工&必（三互）x

41、io-J*（尺寸为英寸）Z；II2；Bh0.K5比必?（尺寸为英寸）<2-5TTM传修城中的串联电容造物（4）并联的LC串联谐振电路的微波实现明4,2-4并联的串联濡报电监的微波实现（5）并联的LC并联谐振电路的微波实现带状悔中心早用晒初图笔基电路图%2-5并联的并联谐族电踣的做说实现4.3糖的产式同轴线低通滤波器图4.31是一种半集总元件同轴线低通滤波器，它是用高阻抗线来模拟串联电感，用低阻抗线来模拟并联电容，把若干高阻抗线和低阻抗线交替级联起来，就构成这种滤波器,其状颇似糖葫芦。它和梯形LC低通原型等效。这种滤波器制造简单，性能良好。图4.3T一种分米制战段用的糖货芦式同触线低通i(

42、废春睥片4.4 带状线梯形低通滤波器采用带状线也可以构成上节所述的高、低阻抗线结构的微波低通滤波器，其中心导带可以是矩形杆或圆杆的空气带状线，也可以是微带式印刷电路结构。图4.4-1所示的即为微带式梯形低通滤波器，图的中间部分是利用铜箔制成的中心导带，它是在铜介质基板上光刻而成。微带结构的最大优点是结构简单，制造容易。但损耗有点大。介质图旅帝吉由想抵通滤波群4.5 带状线椭圆函数低通滤波器图4.5-1是另一种微带式低通滤波器，它是用来模拟椭圆函数低通原型的。串联电感用高阻抗线来实现，并联电容用低阻抗线来实现，并联支路的串联谐振电路用短截线来实现。这种滤波器也易于制造，而且有很高的截止率。但因其

43、精确设计较难，故应用不如上述滤波器那样广泛。耳制电蕾中心等密幅图泣波疝跑现图图第蒂式辅通函散低速修波器4.6 半集总元件微波高通滤波器半集总高通滤波器的设计步骤是：(1)根据滤波器的通带和阻带衰减，选定低通原型。(2)把低通原型元件的归一值变换成集总元件高通滤波器的实际值。(3)采用平板电容来实现集总元件高通滤波器的串联电容，设计出它们的尺寸。(4)采用并联短路短截线来实现集总元件高通滤波器的并联电感，设计出他们的尺寸。第五章窄带微波带通滤波器设计5.1 概述本章先讨论集总元件耦合谐振器带通滤波器的一般设计公式，它是推到后面各种具体滤波器公式的基础。其次讨论如何让用微波结构来实现，然后讨论几种

44、常用的窄带微波滤波器结构和设计。5.2 耦合谐振器带通滤波器的基本原理V<*)用工i7山图521堡顿而成的网告调强界带通磔波器*521谀计带通曲波器的一般公式（图九2，（）由串联谓振器与阻抗变换器组成的带通滤波器）电抗料率多数;3阳抗变接播阻抗.售儿矶，一点腐外界。值:且巨+明*1台系数:高Z，/rHQ)(2)3.S表5.22设计带遢速波粉的一般公式(图522并联造幅器与导辆变换器组成的带通滤波器)里纳科率塞导她变及寄导她H跖3*33=*.八1工k-扣对陆宽(或G外界。值:源台索班:o) <6>(?)(B)5.3 K、J变换器的微博实现及其等效电路(1) 1/4波长阻抗(或导

45、纳)变换器变换器的最简单形式之一就是1/4波长传输线，因为这样的传输线满足阻抗变换器的基本定义，它的特性阻抗等于阻抗变换器的阻抗。同理，1/4波长传输线也可以用作导纳变换器，它的特性导纳等于导纳变换器的导纳。(2)并联电抗耦合的阻抗变换器I井就电拄需门的阻抗叟换器的等效电路U力8申为友对于(G.桁JT4 怪|我鼻2Bj_申为正图5/7串联电轴嘱合的导物堂徵器的等姓电路(3)串联电纳耦合的导纳变换器(4)其它上中_43*TEM3尸.管+韵嚏.图3-4珈祖黑存帖变战刘5.4 集总元件耦合谐振器滤波器5.5 电容间隙耦合传输线滤波器用半波长传输线作为并联谐振器，用端电容间隙作为耦合结构的直接耦合半波

46、长滤波器。这种结构由于中心导体是间断的，所以需要介质支撑，故损耗较大。国15 6 （工）带宽I中心加率为6.12千兆就的帝通浦波群5.6 电容间隙和并联电感交替的耦合滤波器各1/4波长谐振器的一端用阻抗变换器K（即起并联电感作用的短路短截线）与相邻的谐振器限耦合，而它的另一端用导纳变换器J（即起串联电容作用的电容间隙）与另一相邻的谐振器相耦合。的5.6“电容间解和并联电感交博瞩台浊波器图55一5（0电容商常和并服志感蝶告六谓青等诙5.7 并联电感耦合波导滤波器用半波长的波导段作为串联谐振器，用电感膜片或销钉形成的并联电感作为谐振器间的耦合结构，这种滤波器结构简单坚固，制造容易，应用较广。用养收电感幅占被号波普东琳图5.8 小孔膜片耦合波导谐振器滤波器小孔膜片耦合波导谐振器滤波器，也是一种窄带微波滤波器，也可以用耦合谐振器的设计理论来进行设计。图IR1小孔膜片累合波导谐慢毒舞朦群5.9 1/4波长耦合波导滤波器1.10十字形电容耦合宽阻带带状线滤波器到此为止，前面所讨论的带通滤波器结构，其相应在主通带中心频率的二倍或三倍处都有第二通带，而且这种附加通带是周期性地出现。需要采取措施以抑制附加通带。每个谐振器一端短路，另一端开路，在离开路端不远处加以一横杆，谐振器间的耦合靠横杆间的间隙电容来完成。谐振器的开路部分相当于并联电容，而短路部分则相当于并联