微波滤波器基础知识ppt课件

1、微波滤波器基础知识微波滤波器基础知识微波及其特点微波及其特点所谓微波是一种具有极高频率通常为300MHz300GHz ），波长很短，通常为1m1mm的电磁波。微波具有似光性和似声性、穿透性、信息容量大等特点。0光速波长 =频率f3电磁波波段代号波段代号波段代号波段代号频率范围频率范围/GHZ/GHZ频率范围频率范围/GHZ/GHZUHF 0.31 K 1827 L 12 Ka 2740 S 24 U 4060 C 48 V 6080 X 812 W 80 100 Ku 1218微微波波波波段段的的划划分分300MHz300MHz3000GHz3000GHz可可见见光光1m1m电磁波谱电磁波谱0

2、.1mm0.1mm频率频率波长波长3GHz3GHz30GHz30GHz300GHz300GHz10cm10cm1cm1cm1mm1mmfc普通无线电波普通无线电波红外线红外线紫外线紫外线亚毫米亚毫米微微 波波 分米分米厘米厘米毫米毫米中波中波短波短波 超短波超短波长波长波滤波器的基本原理滤波器的基本原理 滤波器定义滤波器定义 顾名思义就是对电磁波信号进行过滤，让顾名思义就是对电磁波信号进行过滤，让需要的信号通过，抑制不需要的信号，主需要的信号通过，抑制不需要的信号，主要目的为了解决不同频段、不同形式的无要目的为了解决不同频段、不同形式的无线通讯系统之间的干扰问题，其特性可以线通讯系统之间的干扰

3、问题，其特性可以用通带工作频段、插入损耗、带内波动、用通带工作频段、插入损耗、带内波动、带外抑制、端口驻波比、隔离度、矩形系带外抑制、端口驻波比、隔离度、矩形系数、功率容量、群时延指标来描述。数、功率容量、群时延指标来描述。滤波器的四种形式滤波器的四种形式 低通滤波器低通滤波器低通滤波器电路原型低通滤波器电路原型滤波器的四种形式滤波器的四种形式 高通滤波器高通滤波器滤波器的四种形式滤波器的四种形式 带通滤波器带通滤波器 带通滤波器电路原型滤波器的四种形式滤波器的四种形式 带阻滤波器带阻滤波器带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标通带工作频段通带工作频段指滤波器允许通过电磁波的频率范围。指滤波器允

4、许通过电磁波的频率范围。通带的理解在生产过程提供的技术指通带的理解在生产过程提供的技术指标规定严格了的，不需要怎样的去按标规定严格了的，不需要怎样的去按照上面的定义去具体计算。也可以这照上面的定义去具体计算。也可以这样说，如果我们的差损要求是样说，如果我们的差损要求是0.8db0.8db，通带需要通带需要10M10M的带宽，那么我们的通的带宽，那么我们的通带就可以说成是带就可以说成是0.8db0.8db带宽为带宽为10M.10M.带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标插入损耗插入损耗又称衰减又称衰减, ,在理想情况下，插入到射频在理想情况下，插入到射频电路中的理想滤波器，不应在其通带电路中的理想

5、滤波器，不应在其通带内引入任何功率损耗内引入任何功率损耗. .然而现实中我们然而现实中我们无法消除滤波器固有的，某种程度的无法消除滤波器固有的，某种程度的功率损耗。插入损耗定量的描述了功功率损耗。插入损耗定量的描述了功率响应幅度与率响应幅度与0dB0dB基准的插值基准的插值, ,其数学其数学表达式为表达式为: :其中其中PL PL 是滤波器向负载输出的功率，是滤波器向负载输出的功率，Pin Pin 是滤波器从信号源得到的输入功是滤波器从信号源得到的输入功率，一般希望插入损耗越小越好。率，一般希望插入损耗越小越好。in= LPIL 10logP带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 带内波动带内波

6、动 在规定的带宽内在规定的带宽内, ,插入损耗最大点减去最小插入损耗最大点减去最小点的即为带内波动。又叫带内波纹或者通点的即为带内波动。又叫带内波纹或者通带波纹。指通带内信号幅度的起伏程度，带波纹。指通带内信号幅度的起伏程度，也受限于谐振器的固有也受限于谐振器的固有QQ值，一般希望尽可值，一般希望尽可能的小。能的小。 带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 带外抑制带外抑制 又称阻带抑制又称阻带抑制, ,理想的滤波器是矩形的，通理想的滤波器是矩形的，通带内的信号全部通过，通道外的信号全部带内的信号全部通过，通道外的信号全部过滤掉。过滤掉。 实际情况是，只能过滤掉一部分能量，带实际情况是，只能过滤

7、掉一部分能量，带外抑制度反应了对过滤信号的衰减幅度，外抑制度反应了对过滤信号的衰减幅度，对不需要的频率点，信号的抑制能力，一对不需要的频率点，信号的抑制能力，一般希望尽可能的大，并在通带范围外陡峭般希望尽可能的大，并在通带范围外陡峭的下降，通常取带外与带宽为一定比值的的下降，通常取带外与带宽为一定比值的某一频率的衰减值作为此项指标。某一频率的衰减值作为此项指标。 带外抑制这个概念实际上还是属于损耗的带外抑制这个概念实际上还是属于损耗的范畴，只是我们现在所说指的是在通带外，范畴，只是我们现在所说指的是在通带外，信号的衰减已经被抑制得比较充分，这个信号的衰减已经被抑制得比较充分，这个具体的损耗值就

8、是带外抑制的值。具体的损耗值就是带外抑制的值。带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 端口驻波比端口驻波比 端口驻波是衡量滤波器性能的一个关键指端口驻波是衡量滤波器性能的一个关键指标，反应滤波器件与系统中其它部件的匹标，反应滤波器件与系统中其它部件的匹配程度。配程度。 当系统不匹配时当系统不匹配时, , 馈线上同时存在入射波馈线上同时存在入射波Ei Ei和反射波和反射波ErEr。在入射波和反射波相位相同的。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波电压与反射波电压的幅度相地方，入射波电压与反射波电压的幅度相加形成一个最大电压振幅加形成一个最大电压振幅EmaxEmax，称为波腹；，称为波腹；而在入射波

9、和反射波相位相反的地方电压而在入射波和反射波相位相反的地方电压幅度相减形成一个最小电压振幅幅度相减形成一个最小电压振幅EminEmin，称，称为波节。为波节。 其它各点电压的幅度值则介于波腹与波节其它各点电压的幅度值则介于波腹与波节之间，这种合成波称为驻波。之间，这种合成波称为驻波。 带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 电压驻波比则是波腹电压与波节电压的比值，即电压驻波比则是波腹电压与波节电压的比值，即 Ei Ei 为入射波电压为入射波电压, Er, Er为反射波电压为反射波电压, ,当当ZLZL和和Z0Z0都为实数时都为实数时iiEmax|E|+|Er|VSWR=Emin|E| |Er|i

10、Li0Emax|E|+|Er|ZVSWR=Emin|E| |Er|Z带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 驻波比的另一个含义相同的名称是回波损耗，单驻波比的另一个含义相同的名称是回波损耗，单位为分贝位为分贝dBdB），二者可如下换算：），二者可如下换算：VSWR1VSWR+1回波损耗=20Log带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 隔离度隔离度 为了区分在有两个或者两个以上通带情况为了区分在有两个或者两个以上通带情况下例如双工器，合路器相互通带之间下例如双工器，合路器相互通带之间的带外抑制，这时我们统一称带外抑制为的带外抑制，这时我们统一称带外抑制为隔离。隔

11、离。 以双工器为例说明：收发隔离是指在网络以双工器为例说明：收发隔离是指在网络分析仪的两个通道分别接分析仪的两个通道分别接rx rx与与txtx端，而端，而ATNATN端接端接5050欧姆负载时，整个频段欧姆负载时，整个频段TXTX的高端的高端点与点与RXRX的低端点之间的带宽或者两个通的低端点之间的带宽或者两个通带内带内RXRX频带内和频带内和TXTX频带内频带内s12s12或者或者s21s21的值。的值。 带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 矩形系数矩形系数 矩形系数是矩形系数是60dB60dB带宽带宽3dB3dB带宽的比值带宽的比值, ,它描述了滤它描述了滤波器在截止频率附近响应曲线变

12、化的陡峭程度波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度: :60dBU60dB- L60dB3dBU3dB- L3dBBWffBWffSF带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 功率容量功率容量 滤波器能承受的最大信号通过功率，滤波滤波器能承受的最大信号通过功率，滤波器的脉冲功率容量由其中强电场对介质的器的脉冲功率容量由其中强电场对介质的击穿来确定，这与滤波器的结构和介质强击穿来确定，这与滤波器的结构和介质强度有关。通常同轴线和带状线结构的功率度有关。通常同轴线和带状线结构的功率容量至少要比矩形波导小容量至少要比矩形波导小6 6、7 7倍，而矩形倍，而矩形波导又比圆波导小波导又比圆波导小4 4倍左

13、右倍左右. . 带通滤波器技术指标带通滤波器技术指标 群时延群时延 信号通过滤波器时的延迟时间，可用以下公式表信号通过滤波器时的延迟时间，可用以下公式表示：示： 其中其中 为滤波器电压转移函数为滤波器电压转移函数Ea/EL Ea/EL 的相位，对于的相位，对于N N个谐振器的带通滤波器，通带内的群时延可近似个谐振器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为：估计为：ddtddntBW滤波器的实现形式滤波器的实现形式集总参数滤波器集总参数滤波器微带线、带状线滤波器微带线、带状线滤波器同轴腔体滤波器同轴腔体滤波器波导滤波器波导滤波器介质滤波器介质滤波器同轴谐振腔滤波器同轴谐振腔滤波器 其结构排列比较

14、灵活，适合于其结构排列比较灵活，适合于100MHz100MHz40GHz40GHz频段带通频段带通滤波器的设计，在当今移动通信频段领域使用最多的当是滤波器的设计，在当今移动通信频段领域使用最多的当是同轴腔。同轴腔。 它的基本原理是根据四分之一开路线和二分之一短路线所它的基本原理是根据四分之一开路线和二分之一短路线所等效的等效的LCRLCR谐振电路。在实际的产品研发和生产中，我们谐振电路。在实际的产品研发和生产中，我们使用了改进的双同轴使用了改进的双同轴UIR(UIR(均匀阻抗匹配均匀阻抗匹配) )四分之一波长谐四分之一波长谐振结构。振结构。 这种结构的优点是：结构通用，易于开发移植，适用移动这

15、种结构的优点是：结构通用，易于开发移植，适用移动通信全频段；调节范围大，对公差要求不高，非常适于初通信全频段；调节范围大，对公差要求不高，非常适于初等产品的低成本生产；功率容量大，采用电耦合输入输出，等产品的低成本生产；功率容量大，采用电耦合输入输出，所以产品一致性和稳定性很好。所以产品一致性和稳定性很好。 主要由谐振腔、谐振导体、调谐钉组成主要由谐振腔、谐振导体、调谐钉组成无加载电容无加载电容 滤波器的结构 滤波器的结构微波带通滤波器的设计微波带通滤波器的设计 滤波器的特性与滤波器的设计关系很大，滤波器滤波器的特性与滤波器的设计关系很大，滤波器的抑制特性一般采用三种设计函数：的抑制特性一般采

16、用三种设计函数：1 1、巴特沃斯、巴特沃斯函数；函数；2 2、切比雪夫函数；、切比雪夫函数；3 3、椭圆函数。滤波器、椭圆函数。滤波器的损耗近似计算公式为：的损耗近似计算公式为：L4.34L4.34f0/BW/Qf0/BW/Q* *gkgk。一般来说，滤波器的特性存在以下规律：一般来说，滤波器的特性存在以下规律： a) a) 滤波器的级数越多，带外衰减越快；滤波器的级数越多，带外衰减越快； b) Qb) Q值越高，损耗越小；值越高，损耗越小； c) c) 通带带宽越宽，损耗越小；通带带宽越宽，损耗越小； d) d) 工作频率越高，损耗越大；工作频率越高，损耗越大；微波带通滤波器的设计微波带通滤

17、波器的设计设计微波带通滤波器的一种常用的方法是从集中设计微波带通滤波器的一种常用的方法是从集中元件的低通原型出发，经过频率变换，导出集中元件的低通原型出发，经过频率变换，导出集中参数耦合谐振器带通滤波器的设计公式，然后用参数耦合谐振器带通滤波器的设计公式，然后用微波结构来实现这些耦合结构和谐振器，从而得微波结构来实现这些耦合结构和谐振器，从而得到微波带通滤波器。到微波带通滤波器。首先根据滤波器的频率和阻带抑制要求选定合适首先根据滤波器的频率和阻带抑制要求选定合适的低通滤波器原型。的低通滤波器原型。低通原型元件数值表低通原型元件数值表 从下图(a)只有一种电抗元件的低通原型出发，经过低通到带通的

18、频率变换，即可得到所需要的设计公式。 图b是经过图a的频率变换得到的，图中的Lrj,Crj是第j个谐振器并联的电感和电容， j01 是个谐振器间的导纳变换器，用他们是并联的谐振器相互耦合起来，从而构成了带通滤波器。 上图b中的导纳变换器可以用图c的电路来替换后，电路变成图d）。图c中的串联电容就是图d中的耦合电容C j, j +1 ，其并联的负电容必须合并到相邻的并联谐振器的正电容内，使的电路的总电容为正，即为电容C j 。 经过计算可得： 相邻两个谐振器间的耦合系数： 计算得出各谐振器之间的耦合系数以后，通过用Ansoft HFSS进行物理结构仿真，从而得出实际的尺寸结构。滤波器中的交叉耦合

19、滤波器中的交叉耦合 交叉耦合：它的原理实际上就是引入传输函数的零极点和交叉耦合：它的原理实际上就是引入传输函数的零极点和副零极点副零极点 利用交叉耦合技术可以大大的改善滤波器的带外抑制及时利用交叉耦合技术可以大大的改善滤波器的带外抑制及时延和相位特性。延和相位特性。 按结构及作用等一般分为容性交叉耦合、感性交叉耦合，按结构及作用等一般分为容性交叉耦合、感性交叉耦合，感性耦合一般为正耦合，容性耦合又可分为正耦合和负耦感性耦合一般为正耦合，容性耦合又可分为正耦合和负耦合。不同的耦合有不同的作用。合。不同的耦合有不同的作用。感性交叉耦合感性交叉耦合容性交叉耦合容性交叉耦合容性交叉耦合 左图为不加交叉

20、耦合的图形，右图为加交叉耦合后的图形左图为不加交叉耦合的图形，右图为加交叉耦合后的图形现有移动通信系统主要使用频段现有移动通信系统主要使用频段1.GSM1.GSMGlobal System for Mobile CommunicaGlobal System for Mobile Communicationstions全球移动通讯系统全球移动通讯系统, ,频率范围频率范围中国移动中国移动GSM900GSM900上行：上行：890MHz-909MHz890MHz-909MHz；下行：；下行：935MHz-954MHz935MHz-954MHz。中国联通中国联通GSM900GSM900上行：上行：9

21、09MHz-915MHz909MHz-915MHz；下行：；下行：954MHz-960MHz954MHz-960MHz。GSM1800GSM1800DCSDCS）上行：上行：1710MHz-1785MHz1710MHz-1785MHz下行：下行：1805MHz-1880MHz1805MHz-1880MHz现有移动通信系统主要使用频段现有移动通信系统主要使用频段2. CDMA (Code-Division Multiple Access)码分多址上行：824MHz-849MHz；下行：869MHz-894MHz。目前中国联通CDMA使用的频率为上行：825MHz-835MHz；下行：870MHz

22、 -880MHz现有移动通信系统主要使用频段现有移动通信系统主要使用频段3.TD-SCDMA3.TD-SCDMATime Division Synchronous Dode DivTime Division Synchronous Dode Division Multiple Accessision Multiple Access时分同步码分多址接入时分同步码分多址接入频率范围频率范围1880MHz -1920MHz;1880MHz -1920MHz;2019MHz -2025MHz2019MHz -2025MHz；补充频段：补充频段：2300MHz -2400MHz2300MHz -2400

23、MHz。 现有移动通信系统主要使用频段现有移动通信系统主要使用频段4. WCDMA4. WCDMAWideband CDMAWideband CDMA宽带分码多工宽带分码多工存取存取 频率范围频率范围上行：上行：1920MHz-1980MHz1920MHz-1980MHz下行：下行：2110MHz-2170MHz2110MHz-2170MHz现有移动通信系统主要使用频段现有移动通信系统主要使用频段5.PHS(Personal Handling System)5.PHS(Personal Handling System)个人手持设备个人手持设备 目前国内典型应用频率为目前国内典型应用频率为190

24、0MHz-1910MHz1900MHz-1910MHz1900MHz-1915MHz1900MHz-1915MHz1900MHz-1920MHz1900MHz-1920MHz现有移动通信系统主要使用频段现有移动通信系统主要使用频段6.WLAN(wireless local area network)6.WLAN(wireless local area network)无线局域网无线局域网无线局域网在无线局域网在5.8 GHz5.8 GHz和和2.4 GHz2.4 GHz两个频段都可以用两个频段都可以用做无线局域上网频段做无线局域上网频段, ,2.4 GHz: 2400MHz-2483.5MHz2.4 GHz: 2400MHz-2483.5MHz5.8 GHz: 5725MHz-5850MHz5.8 GHz: 5725MHz-5850MHz滤波器产品简介 目前的微波滤波器产品主要分为四大系列目前的微波滤波器产品主要分为四大系列 多路合路平台多路合路平台 基站系列产品基站系列产品 直放站系列产品直放站系列产品 工程配件工程配件 产品范围涵盖了目前移动通信使用的产品范围涵盖了目前移动通信使用的CDMACDMA、GSMGSM