微波滤波器设计培训教程

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，通带需要10M的带宽，那么我们的通带就可以说成是带宽为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 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。设计实例 技术指标 工作带宽：825-835MHz 插入损耗：带内波动：带外抑制：FC10MHz40dB 驻波比：首先我们应该对阻带频率进行归一化：我们将f0=830MHz，f=845MHz或者F=815MHz带如以上公式可得：通过前面的图表可以查出谐振器的数目n=5,这与我们通过软件仿真得出的幅频响应曲线是基本符合的。000fffffBW 插入损耗的计算：L4.34L4.34f f0 0ggn n/（BWBWQ Q）*g gn n=g=g1 1+g+g2 2+g+gn n g g值可以通过前面的元件值表查到值可以通过前面的元件值表查到 当当n=5n=5时，时，g gn n=g=g1 1+g+g2 2+g+gn n 通过计算我们可以的出当，通过计算我们可以的出当，Q=4143Q=4143。这时我们可以通过。这时我们可以通过Ansoft HFSSAnsoft HFSS进行物理结构仿真，得出单个谐振器的结构。进行物理结构仿真，得出单个谐振器的结构。仿真单腔Q值和谐振频率的HFSS模型 级间耦合系数的计算 通过查表得出g1=g5=0.75,g2=g4=1.30,g3=1.57.将g值代入以上公式可得：K12=K45，K23=K34。1*!jjwggkHFSSHFSS中的耦合系数（窗口）仿真模型中的耦合系数（窗口）仿真模型滤波器中的交叉耦合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，利用交叉耦合技术可以大大的改善滤波器的带副零极点，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延和相位特性，按结构及作用等一般分为容性外抑制及时延和相位特性，按结构及作用等一般分为容性交叉耦合、感性交叉耦合，感性耦合一般为正耦合，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合。不同的耦合有不同的作用。耦合又可分为正耦合和负耦合。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（Global System for Mobile CommunicationsGlobal System for Mobile Communications）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-954M935MHz-954MHzHz。中国联通中国联通GSM900GSM900 上行：上行：909MHz-915MHz909MHz-915MHz；下行：；下行：954MHz-954MHz-960MHz960MHz。GSM1800GSM1800（DCSDCS）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)CDMA(Code-Division Multiple Access)码分码分多址多址 频率范围频率范围 上行：上行：824MHz-849MHz824MHz-849MHz；下行：下行：869MHz-894MHz869MHz-894MHz。目前中国联通目前中国联通CDMACDMA使用的频率为使用的频率为 上行：上行：825MHz-835MHz825MHz-835MHz；下行：下行：870MHz-880MHz870MHz-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（Time Division Synchronous Dode Division MultTime Division Synchronous Dode Division Multiple Accessiple Access）的中文含义为时分同步码分多址接）的中文含义为时分同步码分多址接入入 频率范围频率范围 1880MHz-1920MHz;2010MHz-2025MHz；补充频段补充频段：2300MHz-2400MHz。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.WCDMA（Wideband 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 1900MHz-1910MHz1900MHz-1910MHz 1900MHz-1915MHz1900MHz-1915MHz 1900MHz-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两个频段都可以两个频段都可以用做无线局域上网频段用做无线局域上网频段,5.8 GHz:5725MHz-5850MHz5.8 GHz:5725MHz-5850MHz公司滤波器产品简介 公司目前的产品主要有多路合路平台，基站系列公司目前的产品主要有多路合路平台，基站系列产品，直放站系列产品，工程配件四大系列共产品，直放站系列产品，工程配件四大系列共5050多种产品，产品种类齐全，产品范围涵盖了目前多种产品，产品种类齐全，产品范围涵盖了目前移动通信使用的移动通信使用的CDMACDMA、GSMGSM、DCSDCS、PHSPHS、WCDMAWCDMA、WLANWLAN等频段。等频段。主要产品：主要产品：基站双工器无源模块（滤波器系列）无源模块（滤波器系列）多路合路平台I型多路合路平台多路合路平台多路合路平台II型工程配件工程配件双频合路器三频合路器多频合路器CDMA/GSM、GSM/DCS、WCDMA/WLAN等双频合路器CDMA/GSM/PHS、PHS/WCDMA/WLAN等三频合路器基站系列基站系列基站滤波器CDMA、GSM、WCDMA等基站双工器CDMA、GSM、WCDMA等基站滤波器直放站系列直放站系列直放站双工器直放站滤波器CDMA、GSM、WCDMA等直放站双工器CDMA、GSM、PHS、WCDMA、等直放站滤波器 CDMACDMA、GSMGSM双工器的应用双工器的应用从上图可以实际的看到双工器和滤波器的应用。通过双工器可以使直放站、下行收发天线共用，便于工程施工，减少工程造价，当直放站采用分体机结构时，使用双工器可以更方便的使前后端匹配。三频合路器在实际工程中的应用三频合路器在实际工程中的应用PSH/WCDMA/WLAN三频合路器在工程中的利用原理图,利用合路器抑制系统间的干扰。同时将室内使用的WCDMA系统、PHS系统和新开通的WLAN系统等三路信号，通过宽频多路合路器，合并到一套室内覆盖天线系统，完成室内各区的有效覆盖。塔放双工器的应用塔放双工器的应用上行信号下行信号上行信号下行信号塔顶放大器天线 可调衰减器低噪声放大器隔离器双工器双工器射频开关射频开关射频开关双工器隔离器 功率放大器 可调衰减器双工器射频开关基站旁通通路上行旁通通路A1A2B1B2B4B3A4A3基基 站站天天 线线塔塔 放放完谢谢