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1滤波器设计滤波器设计贾宝富2滤波器基本概念滤波器基本概念3滤波器概念简介滤波器概念简介滤波器是通信工程中常用的重要器件,它对信号具有频率选择性,在通信系统中通过或阻断、分开或合成某些频率的信号。4滤波器主要类型-1滤波器主要类型-1通常采用工作衰减来描述滤波器的幅值特性:(dB)式中,和分别为输出端接匹配负载时滤波器输入功率和负载吸收功率。根据衰减特性不同,滤波器通常分为低通、高通、带通和带阻滤波器。LinAPPLlg10=低通高通带通带阻5滤波器主要类型-2滤波器主要类型-2功率转移函数实用中,昀广泛使用的逼近函数有三种,相应的滤波器称为:昀平坦型(Butterworth)、等波纹型(Chebyshev)和椭圆函数型。()()()[]221lg1011lg10ωωωPLA+=Γ−=6滤波器主要技术指标滤波器主要技术指标另外,还有一些技术指标,如,回波损耗(驻波系数),带内波动;群延迟;矩形系数等。对大功率滤波器还有功率容量。对可调滤波器还有可调范围等7基本的概念说明基本的概念说明插入损耗:定义为传输电平除以入射电压取对数再乘以20,以dB表示。是我们无失真传输的关键之一。incidentdtransmitteVVlog20−=插入损耗incidentdtransmitteVVlog20−=插入损耗incidentdtransmitteVVlog20−=插入损耗Δ关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问题。首先,器件的幅度响应不许在使用的带宽内为固定值。这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的。其次,器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。如下图所示。8无失真传输的关键图无失真传输的关键图ConstantAmplitudeConstantAmplitudeMagnitudeMagnitudeBandwidthBandwidthLinearLinearPhasePhaseBandwidthBandwidthφφ无失真传输的关键9基本的概念说明基本的概念说明带外抑制:用来表征滤波器抑制带外所有信号的性能。它正比于系统的信噪比以及误码率(BER)。插入相位:通过一个无源线性器件无失真传输的第二个关键是器件在所用带宽内的相位频响必须是线性的。由滤波器引起的任何非线性相位频响将引起信号失真。插入相位是在指定的频率上,通过器件的相对相位移。它与频率有关,是电长度的函数。表示器件相频特性非线性的第二种方法是群延迟。而相位斜率技术是一种简单而精确的测量群延迟的方法。它是一种静态或连续波技术。通过测量两个相近间隔频率(孔径)之间的相位差,然后计算这些点之间的斜率(如下图所示)。10插入相位:插入相位:相位斜率技术φ1φ2f1f2ftDelayGroupgΔΔΦ⋅−==03601ftDelayGroupgΔΔΦ⋅−==0360111传统滤波器的设计方法传统滤波器的设计方法传统的滤波器设计,采用网络综合的方法。所谓网络综合,在微波工程实用上指的是预先规定元器件特性而用网络去实现的一个过程。它大致包括三个步骤:提出目标,即理想响应;选用可能的函数去逼近理想响应;设法实现具有逼近函数特性的网络。由于采用的逼近函数不同,一般有Butterworth综合、Chebyshev综合、椭圆函数综合等滤波器设计方法。12Butterworth滤波器综合Butterworth滤波器综合该响应有昀大平滑特性,所以Butterworth响应也称为昀大平坦响应。13Chebyshev滤波器综合Chebyshev滤波器综合其中,称为Chebyshev多项式。14可以用优化代替综合吗?可以用优化代替综合吗?优化虽然可以在一定程度上简化滤波器的设计,但是使用优化受到很大限制。一般只有在拓扑结构确定以后才能优化。优化目标函数的确定有一定困难。受计算能力的限制,三维仿真软件的优化只能在结构比较简单,变量不多时使用。目前通常的设计方法是综合+优化。用网络综合法确定滤波器的拓扑结构。使用电路计算软件进行优化。15利用AnsoftDesigner设计简单结构的滤波器利用AnsoftDesigner设计简单结构的滤波器中心频率10GHz;带宽400MHz;带内昀大插损1dB;选用微带边缘耦合结构;介质基板:MS-RTduroid5880Er=2.2;20mil;0.5ozCopper(0.675mil)16打开AnsoftDesigner的滤波器设计工具包(FilterDesignWizard)打开AnsoftDesigner的滤波器设计工具包(FilterDesignWizard)17输入频率范围等参数输入频率范围等参数18输入介质基板参数输入介质基板参数19完成设计完成设计2021输出平面电路结构图输出平面电路结构图22仿真计算平面结构图仿真计算平面结构图23调整变量或优化调整变量或优化24昀后结果昀后结果2现代滤波器设计流程现代滤波器设计流程3滤波器设计流程滤波器设计流程给出滤波器的技术要求:工作频率:带内插损;带内波动;带外衰减;带外抑制度;矩形系数;电路模型计算;AnsoftDesigner;ADS;CSTDS滤波器几何结构计算;HFSS,CSTMWS;IE3D;ADS误差分析或调谐范围分析;HFSS,CSTMWS;IE3D;ADS制作样品;测试样品;最终样品。maxmin;ff4TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle5TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle6TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle7TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle8TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle9TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle10TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle11TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle12TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle13TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle14TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle15TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle16TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle17TypicalFilterDesignCycleTypicalFilterDesignCycle2设计实例-2设计实例-2梳状滤波器设计3滤波器技术参数滤波器技术参数滤波器要求的技术参数;中心频率;400MHz;带宽:15MHz;带内波动:小于0.1dB带外抑制度:偏离中心频率25MHz;大于40dB;初步确定采用Chebyshev型7阶梳状滤波器4低通原型滤波器(查出标准化G值)低通原型滤波器(查出标准化G值)5建立低通原型滤波器电路模型建立低通原型滤波器电路模型6原型低通滤波器机仿真结果原型低通滤波器机仿真结果7K变换器或J变换器K变换器或J变换器把LC低通原型变换成只有一种电感元件或只有一种电容元件的低通原型,称之为变形低通原型。在LC梯形低通原型的各元件间加入K变换器把电容变换成电感,昀后得到只有电感的低通原型。在LC梯形低通原型的各元件间加入J变换器把电感变换成电容,昀后得到只有电容的低通原型。8K变换器工作原理K变换器工作原理KZLZLK2jωL+ZG~KLZG~KLZLK2K2ZG~ZLK2jωL+1ZL+1LK2jωCK2ZG~ZLK2jωL+1ZL+1LK2jωCZG~ZG~ZLZLC=LK2变换的原则:变换前后滤波器低通原型的衰减特性不变。为此,只要保证变换前后输入导纳(或阻抗)之比为一常数(从而可保证反射系数不变,进而衰减特性不变)9K变换器设计公式K变换器设计公式其中,RA是变换后信号源的内阻;La,1是变换后第一个串联电感值;La,k是变换后第k个串联电感值;RB是变换后负载的阻值。10J变换器设计公式J变换器设计公式其中,GA是变换后信号源的内部电导;Ca,1是变换后第一个并联电容值;Ca,k是变换后第k个并联电容值;RB是变换后负载的导纳。117阶Chebychecv变形低通原型滤波器的K值7阶Chebychecv变形低通原型滤波器的K值令,K变换器计算公式中并考虑到,7阶Chebychecv低通原型滤波器中,昀后得K变换器的变比分别为,12归一化变形低通原型滤波器归一化变形低通原型滤波器K01K12Kk,k+1Kn,n+1ZL=1归一化即滤波器的工作带宽是1Hz。如果,滤波器要求的相对带宽为bw,则应对滤波器去归一化。13变形低通原型滤波器转换电路变形低通原型滤波器转换电路14变形低通原型滤波器仿真结果变形低通原型滤波器仿真结果15对相对工作带宽bw去归一化对相对工作带宽bw去归一化去归一化原理:如果,我们需要把在角频率ω呈现的阻抗移动到角频率ω*bw,则电感值需要改变为L/bw。电感L在角频率ω的阻抗为jωL;电感Lx在角频率ω*bw的阻抗为j(ω*bw)Lx;如果,令jωL=j(ω*bw)Lx,可以解出,x=1/bw在K变换器计算公式中,令:16对bw去归一化变形低通原型滤波器对bw去归一化变形低通原型滤波器ZL=117归一化带通滤波器归一化带通滤波器在前面的对bw去归一化低通原型滤波器中用1H电感和1F电容组成的串联谐振回路代替原来的1H电感。就构成了一个谐振频率为1Hz,相对带宽为bw的归一化带通滤波器g=10~1bw/g1gg12bwbw/gNggijbw11111ZL=118对工作频率ωr去归一化对工作频率ωr去归一化假设串联谐振回路的电感和电容分别为L1和C1,在频率ω的阻抗为:如果工作频率转移到ωr,在新频率新串联谐振回路的阻抗为,若新串联谐振回路在频率ωr与旧回路保持相同的阻抗,则新谐振回路的电感Ls和电容Cs分别为,11()()rrsrsZjLCωωω=−11;ssrrLLCCωωωω==把ω=1;L1=1和C1=1代入上式,得:1111;22ssrrrrLHenryCFaradffωπωπ====19带通滤波器带通滤波器ZL=1其中:1111;22ssrrrrLHenryCFaradffωπωπ====1221rrfffffbwf=−=起始频率中止频率20在串联谐振回路中引入串联电阻RS在串联谐振回路中引入串联电阻RS根据电路理论,串联谐振回路的Q值为:02rssfLQRπ=考虑到,串联谐振回路的电阻为,0021rssfLRQQπ==Ω;12srLfπ=引入有限的Q0值后,谐振腔的频率偏移位:012ffQΔ=−21有载QL值和无载Q0值有载QL值和无载Q0值中间谐振腔:腔体的损耗有两部分;腔体材料产生的损耗(金属材料趋肤效应产生的欧姆损耗和介质材料tanδ产生的介质损耗)相邻腔体耦合的能量与外电路连接的腔:腔体的损耗也有两部分;腔体材料产生的损耗(金属材料趋肤效应产生的欧姆损耗和介质材料tanδ产生的介质损耗)与外电路和相邻腔耦合的能量202001212rrfQffQΔ=−=+1010011221122rLrLfQQffQQΔ=−−⎛⎞=++⎜⎟⎝⎠12011LgQKbw==221-50欧姆阻抗变换器1-50欧姆阻抗变换器KZLZLK2Z=IN1;50;50LinZZK===注意:归一化带通滤波器的输入/输出阻抗均为1Ω。通常,外接传输线的阻抗为50Ω,并且具有一定的长度。所以,需要在设计中考虑外接50Ω传输线的变换。23用什么表示K变换器用什么表示K变换器
本文标题:滤波器设计-by贾宝富
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