《现代微波滤波器的结构与设计》读书笔记

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，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，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，例如钇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２－４千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。１.６阻抗匹配网络和耦合结构为了使信号源和负载间无反射传输，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。２.２滤波器的转移函数和衰减滤波器设计的最终目的，是根据给定的传输特性要求，用一个网络来实现。表征滤波器传输特性的方法有很多，这里主要讨论综合滤波器时最有用的几个函数，即转移函数和工作衰减，以及与它们有关的物理量。（１）电压转移函数和传输函数（２）功率转移函数与插入衰减（３）反射系数、电压驻波比与衰减的关系２.３滤波器的影象参数影象参数是广泛应用在滤波器设计和阻抗匹配网络中的一种网络参数，是网络的影象阻抗和影象传输函数的总称。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I2Z，则从网络输入端向网络看去的输入阻抗就等于I1Z；如果把阻抗I1Z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I2Z。如图所示，则在此网络两端互成影象关系的阻抗I1Z和I2Z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：２.４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（２）只有一种电抗元件的低通原型图２.８－２（ａ）是由阻抗变换器Ｋ和串联电感所构成的低通原型，图２.８－２（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。２.９椭圆函数低通原型滤波器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，它的参数须用椭圆函数来进行计算，故称为“椭圆函数滤波器”。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LaE/E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而其群延迟是（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3.1概述本章的目的是明确设计参数与微波滤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。3.2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。3.3同轴线的特性及其设计图表3.4带状线的特性及其设计图表3.5平行耦合带状线的特性及其设计图表许多带状线元件是利用平行导体间所存在的自然耦合构成，例如平行耦合线构成的滤波器、定向耦合器、平衡-不平衡变换器，以及梳妆线滤波器、交指型滤波器等。平行耦合线的一些主要结构示于图3.5-1中，其中（a）、（b）、（c）主要用于弱耦合元件中；而（d）、（e）、（f）、（g）主要用于强耦合元件中。这种平行耦合线的特性可以用偶模阻抗e0Z和奇模阻抗o0Z来表征。e0Z定义为方向相同的电流通过两线时，一线对地的特性阻抗；o0Z定义为方向相反的电流通过两线时，一线对地的特性阻抗。3.6平行耦合矩形杆带状线3.7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dC，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）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=0.0847，其它尺寸可由图中曲线查出。（4）平行接地板间半无限板的边缘电容在两平行接地板间放入一个人搬无限板，其一个角的准确边缘电容是（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）的等效电路来表示。3.8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0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：式子中X是电路输入阻抗的电抗。用于并联谐振器的电纳斜率参数是式子中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。3.9平行耦合线的滤波器节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。3.10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0Z的传输线来等效。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。3.11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