电子科技大学通信射频电路射频滤波器25-28.

电子科技大学1第八章射频滤波器•本章内容1.射频滤波器类型及基本结构2.射频滤波器的主要技术参数3.射频滤波器的设计方法4.典型的射频滤波器设计重点掌握LPF、HPF、BPF、BSF等基本滤波器的结构；插入损耗、带外抑制度、带宽、端口回波损耗等滤波器性能参数的定义；常用无源滤波器的设计方法；滤波器的设计步骤。电子科技大学2&8.1滤波器类型及基本结构1.低通滤波器低频信号以很小的衰减量从输入端口传输到输出端口，当信号频率超过特定的截止频率后，信号的衰减量将急剧增大，从而使输出端口的信号幅度下降。2.高通滤波器低频信号分量的衰减很大，当信号频率超过特定的截止频率后，信号则以很小的衰减量从输入端口传输到输出端口。•滤波器的类型低通滤波器传输特性高通滤波器传输特性/c电子科技大学33.带通滤波器在特定的下边频和上边频确定的频带内，信号衰减量相对于其他频段有低的衰减量。4.带阻滤波器在特定的下边频和上边频确定的频带内，信号衰减量相对于其他频段有高的衰减量。带通滤波器传输特性带阻滤波器传输特性低通滤波器电路微带低通滤波器的结构电子科技大学4•滤波器的主要性能参数inPinLP210log10log1inAinLPLILP1.插入损耗滤波器插入到射频电路中在通带内引起的功率损耗。它定量的描述了功率响应幅度与0dB基准的差值。—从信号源向滤波器看到的反射系数—滤波器向负载输出的功率—滤波器从信号源得到的最大资用功率2221221110log20log()20log(1())()nILSjFSj无损耗无源二端口滤波器的插入损耗电子科技大学5()nF/C21()Sj—是归一化角频率3.带内波纹表示通带内信号响应的平坦度，即响应幅度最大值与最小值之差。—是波纹系数—是滤波器特征函数—是滤波器的传输函数线性,时不变二端口滤波器的传输系数21()(),()NpSppjDp2.端口回波损耗表示端口匹配特性。22120log10log(1())inRLSj电子科技大学6滤波器主要性能参数之间的关系电子科技大学74.带宽通带内对应于3dB衰减量的上边频和下边频的频率差.333dBdBdBuLBWff5.矩形系数60dB带宽与3dB带宽的比值6.阻带抑制性滤波器在阻带内的衰减量大小。其越大越好，常以60dB作为阻带抑制的设计值。606060333dBdBdBuLdBdBdBuLffBWSFBWff7.相位响应特性传输函数的相位特性表征了滤波器插入导致的相位延迟和群延迟特性.21212121arg(()),/,/Sjddpd相位延迟群延迟电子科技大学8•谐振网络的品质因数Q•品质因数Q在谐振频率下，谐振网络的平均储能与一个周期内的平均耗能之比。用于表征滤波器的频率选择性！ccstoredlossWPcQ平均储能平均储能一个周期内的平均耗能功率损耗•外品质因数0,0ERR001EEELQRRC•固有品质因数0,0ERR001FLQRRC•有载品质因数0,0ERR001LDEELQRRRRC有载谐振网络033LDFE111QQQdBdBuLfff并联谐振网络的品质因数Q？电子科技大学9频率偏差0fff50,5,2,20GERRLnHCpFR00dm()/2Re()LDLDfffIZQQZdf02LDLDLDfQQQf00()/2()LDLDffEfdLQQRRdf归一化频率偏差1000002(1)(1)ffffffffff串联谐振网络（ＢＰＦ）的插入损耗及相位与频率的关系串联阻抗电路的有载ＱLD电子科技大学10•插入损耗计算匹配状态下0()()LLGGZRZRZ20/8LinGPPVZ匹配传输线的功率传输插入滤波器后2002200001224(/8)/22GLLDGLDFVPZZZQZVZZZRjQQLDLDFQ()(Q)QGLZRRRj222211/LinLDELDPPQQQ插入谐振网络(BFP)后的功率传输电子科技大学11插入损耗2222110log/inLDLLDEPQILPQQ222222/1111inrinGLDEinininGLDPPZZQQLFPZZQ•3dB带宽计算022(,010log20log(1)ELDLDFffQQILQQ谐振频率点)3322330030(,12(11/2),(11/2)/dBdBLULDdBdBLLDULDdBLDfffQffQffQBWfQ)•损耗因子（ＬＦ）电子科技大学12&8.2低通滤波器（ＬＰＦ）低频信号以很小的衰减量从输入端口传输到输出端口，当信号频率超过特定的截止频率后，信号的衰减量将急剧增大，从而使输出端口的信号幅度下降。•低通滤波器理论低通滤波器传输特性电子科技大学13•低通滤波器的网络模型插入在信号源与负载电阻之间的低通滤波器四个ＡＢＣＤ参量网络的级联模型电子科技大学14滤波器网络的ABCD参量LGCLL101R1R101/R10101jC111RRjC+RRR,,1jC1RGGGLLLABCDZRZR其中滤波器输入电压VG和输出电压V2的关系:2GL11/(1RRjC1/R)AGVV02LGLGLR11RR/RRRRGVV20GVV表现出高频段衰减量大,低频段衰减量小的低通特性!电子科技大学15(,)LR空载221G1S=H1jRRCGVVH电压传递函数LPF的衰减量(输入/输出电压的幅度关系)22120logS10logHILarctanImH/ReHLPF衰减量与负载的关系LPF相位响应与负载的关系LPF输入/输出电压的相位关系gdtd滤波器的群延时又称传输系数S21（纯一阶ＬＰＦ）50,10,10GRRCpF50,10,10GRRCpF电子科技大学16•滤波器设计方法1.插入损耗法首先设计出采用归一化阻抗和频率的低通滤波器，通过频域转换，将原型变换到希望的频率范围和阻抗值的HPF或BPF或BSF。基于网络综合技术,能设计出有完整的特定频率响应的滤波器(LPF)。插入损耗可用反射系数表示为：22in22()()()MMN实际的滤波器网络的插入损耗均满足上式。电子科技大学172.镜像参量法镜像参量法是一种基于二端口网络的ABCD参数分析滤波器性能的方法,可以分析滤波器网络的镜像阻抗和传递函数。端接其镜像阻抗的二端口网络镜像阻抗：1iABZCD2iBDZAC电压传递函数：21i1=eVBDDDADBCVZAA电子科技大学18通过级联简单二端口滤波器单元构成滤波器，能提供所希望的截止频率和衰减特性，但不能预期整个频率响应,常必须多次迭代实现。电流传递函数：21eIAAADBCIDD网络的传播因数：eADBC•低通滤波器的类型1.巴特沃斯滤波器；2.切比雪夫滤波器；3.椭圆函数滤波器；4.高斯滤波器电子科技大学19•巴特沃斯(Butterworth)滤波器滤波器衰减曲线中没有任何波纹，称为最大平滑滤波器。巴特沃斯低通滤波器特性插入损耗:222120log()10log(1)NILSj/c是归一化频率。当a=1，Ω=1(截止频率)时，IL=3.01dB。N是滤波器的阶数,是LPF要求的电抗元件个数。22221211()1(1)()1(),exp((21)/2)NNiiiSjSppppjiN巴特沃斯滤波器的传输系数平方值满足:电子科技大学20巴特沃斯滤波器低通滤波器有两种电路拓扑结构巴特沃斯低通滤波器原型电路电路元件值的编号是从信号源的g0一直到负载端的gN+1。电路中串联电感与并联电容存在对偶关系。各个元件值g由如下方式确定：g0=源电阻,第一个元件是并联电容.源内电导,第一个元件是串联电感.gm=串联电感的电感量串联电容的电容量（m=1,…,N)电子科技大学21gn+1=负载电阻值，最后一个元件是并联电容负载电导值，最后一个元件是串联电感最大平滑LPF原型电路元件参数(截止频率=1,IL=3dB,g0=1)010111,2sin((21)/2),1,(0,1,...1)mNNNiggmNgLPFgggggiN电路具有对称性:是归一化元件值,单位是/mhos/H/F对于截止频率=1,IL=3dB,g0=1时电子科技大学22滤波器阶数由要求的给定频率处的最小阻带衰减量确定。巴特沃斯滤波器衰减曲线与归一化频率的关系常根据要求的阻带衰减量与归一化频率的对应关系曲线找到滤波器阶数。/10(1),log(101)/2log()2,60,10ASssASLssASILLNLdBN例如电子科技大学23对于无线通信系统应用，滤波器的线性相位响应特性比陡峭的过度或平坦的插损响应特性更重要。线性相移低通滤波器电路归一化元件参数巴特沃斯滤波器原型电路可实现线性相位响应特性。•线性相位响应低通滤波器对于截止频率=1,g0=1时,线性相移LPF原型电路元件参数见下表。电子科技大学242.切比雪夫(Chebyshev)滤波器滤波器通带内的波纹幅度相等，阻带内最大平坦,也称为等波纹滤波器。滤波器插入损耗:22221()1(1())NSjT为第一类N阶切比雪夫函数1coscos,1NTN1coshcosh,1NTN122332441,0(011(12(2123(3344(4188NNNNN0阶),T阶),T阶),T阶),T阶),T切比雪夫多项式函数切比雪夫滤波器的传输系数平方值满足:2210log1NILaT电子科技大学25a是通带内波纹幅度调节因子,由通带内要求的最大波纹幅度量RPLdB确定。dBRPL/101,a=101(RPLdB是波纹峰值)切比雪夫滤波器损耗因数与频率的关系（RPLdB＝２dB)切比雪夫滤波器损耗因数与频率的关系（RPLdB＝3dB)电子科技大学26切比雪夫滤波器LPF的原型电路归一化的两种多节低通滤波器等效电路g0=源电阻,第一个元件是并联电容.源电导,第一个元件是串联电感.gm=串联电感的电感量串联电容的电容量（m=1,…,N)gn+1=负载电阻值，最后一个元件是并联电容负载电导值，最后一个元件是串联电感电子科技大学27012211211,2sin(/2)14sin((21)/2)sin((23)/2),2,3,....sin((1)/)1.0,coth(/4),ln(coth(/17.37)),sinh(/2)mmNNdBggNmNmNgmNgmNgNgNRPLN为奇数为偶数其中,对于截止频率=1,给定的RPLdB,g0=1时给定的RPLdB,给定最小阻带衰减量LAS确定了滤波器的阶数。0.10.111(1),()cosh((101)/(101))/cosh()0.1,2,40,5.45AsdBssASLRPLsdBsASILLdBNRPLdBLdBN例如电子科技大学28切比雪夫滤波器原型电路元件参数值（3dB波纹）（0.5dB波纹）电子科技大学29例：３阶3dB巴特沃斯、线性相移、3dB切比雪