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1、新员工培训-微波滤波器基础知识介绍微波滤波器基础知识介绍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f滤波器的基本原理滤波器的基本原理 滤波器顾名思义就是对电磁波信号进行过滤波器顾名思义就是对电磁波信号进行过滤，让需要的信号通过，抑制不需要的信滤，让需要的信号通过，抑制不需要的信号，主要目的为了解决不同频段、不同形号，主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，其特式的无线通讯系统之间的干扰问题，其特性可以用通带工作频段、插
2、入损耗、带内性可以用通带工作频段、插入损耗、带内波动、带外抑制、端口驻波比、隔离度、波动、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。矩形系数、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 即滤波器允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标规
3、定严格了的，不需要怎样的去按照上面的定义去具体计算。也可以这样说，如果我们的差损要求是0.8db，通带需要10M的带宽，那么我们的通带就可以说成是0.8db带宽为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，插入到射频电路中的理想滤波在理想情况下，插入到射频电路中的理想滤波器，不应在其通带内引入任何功率损耗器，不应在其通带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无法消除滤波器固有的, ,某种程度的功率损耗某种程度的功率损耗. .插入损耗定插入损耗定量的描述了功率响应幅度与量的描述了功率响应幅度与0dB0dB基准
4、的插值基准的插值, ,其数学表达其数学表达式为式为: : 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 是滤波器从信号是滤波器从信号源得到的输入功率源得到的输入功率, ,一般希望插入损耗越小越好。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 带内波动带内波动 在规定的带宽内,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Q值，一般希望尽可能的小。 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
5、想的滤波器是矩形的，通带内的信号理想的滤波器是矩形的，通带内的信号全部通过，通道外的信号全部过滤掉，但实际情况是，只全部通过，通道外的信号全部过滤掉，但实际情况是，只能过滤掉一部分能量，带外抑制度反应了对过滤信号的衰能过滤掉一部分能量，带外抑制度反应了对过滤信号的衰减幅度减幅度, ,对不需要的频率点，信号的抑制能力，一般希望对不需要的频率点，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的下降，通常取带外与尽可能的大，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某一频率的衰减值作为此项指标。带外带宽为一定比值的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
6、范畴，只是我们现在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，信号的衰减已经被抑制得比较充分，所说指的是在通带外，信号的衰减已经被抑制得比较充分，这个具体的损耗值就是带外抑制的值。这个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标，反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配程度。当系应滤波器件与系统中其它部件的匹配程度。当系统不匹配时统不匹配时, , 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地
7、方，入射波电压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加形成一个最大电压振幅与反射波电压的幅度相加形成一个最大电压振幅EmaxEmax，称为波腹；而在入射波和反射波相位相，称为波腹；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反的地方电压幅度相减形成一个最小电压振幅EminEmin，称为波节。其它各点电压的幅度值则介于，称为波节。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。波腹与波节之间，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 E
8、i 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都为实都为实数时数时iiEmax|E|+|Er|VSWR=Emin|E| |Er|iLi0Emax|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 该指标另一个含义相同的名称是回波损耗，单位该指标另一个含义相同的名称是回波损耗，单位为分贝（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下（例为了区分在有两个或者两
9、个以上通带情况下（例如双工器，合路器）相互通带之间的带外抑制，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隔离。这时我们统一称带外抑制为隔离。 以双工器为例说明：收发隔离是指在网络分析仪以双工器为例说明：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欧姆负欧姆负载时，整个频段（载时，整个频段（TXTX的高端点与的高端点与RXRX的低端点之间的低端点之间的带宽）或者两个通带内（的带宽）或者两个通带内（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
10、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，滤波器的脉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击穿来确定，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度有关。通常同轴线这与滤波器的结构和介质
11、强度有关。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和带状线结构的功率容量至少要比矩形波导小6 6、7 7倍，而矩形波导又比圆波导小倍，而矩形波导又比圆波导小4 4倍左右倍左右. . 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，可用以下公式表示：信号通过滤波器时的延迟时间，可用以下公式表示： 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个谐振个谐振器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为：器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为：ddtddntBW反射时延反射时延 滤波器单节的反射时延滤
12、波器单节的反射时延可近似估计为：可近似估计为： 实际调试中可以调节抽头耦合线的高度及粗细等实际调试中可以调节抽头耦合线的高度及粗细等来调节来调节2dtBW滤波器指标的测试滤波器指标的测试 双工器测试示意图：网络分析仪 PORT1 PORT2 TX ANT RX(发射) (天线) (接收)双工器50网络分析仪 PORT1 PORT2 TX ANT RX(发射) (天线) (接收)双工器50 RX测试图形 TX测试图形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
13、谐振腔滤波器同轴谐振腔滤波器 其结构排列比较灵活，适合于其结构排列比较灵活，适合于100MHz100MHz40GHz40GHz频段带通滤波器的设计，在当今移动通信频段领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同轴腔，它的基本原理是根据域使用最多的当是同轴腔，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等效的四分之一开路线和二分之一短路线所等效的LCRLCR谐振电路。在实际的产品研发和生产中，我们使谐振电路。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) )四分之一波四分之一波长谐振结构。这种结构的优点是：结构通
14、用，易长谐振结构。这种结构的优点是：结构通用，易于开发移植，适用移动通信全频段；调节范围大，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，非常适于初等产品的低成本生对公差要求不高，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，所以产产；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。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
15、性一般采用三种设计函数：的抑制特性一般采用三种设计函数：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，其中切、椭圆函数，其中切比雪夫函数最为常用。滤波器的损耗近似计算公比雪夫函数最为常用。滤波器的损耗近似计算公式为：式为： L4.34L4.34f0f0ggk k / /（BWBWQ Q） 。一般。一般来说，滤波器的特性存在以下规律：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
16、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。 RF滤波器综合过程滤波器的技术指标频率变换低通原型传递特性低通原型综合低通原型元件值频率变换实际滤波器元件的归一化值阻抗变换反归一化实际滤波器真实元件值0.01分贝切比雪夫低通滤波器衰减特性图 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
