微波滤波器基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微波滤波器基础知识,1,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。,2,电磁波,波段代号,波段代号,频率范围,/GHZ,频率范围,/GHZ,UHF 0.3,1 K 18,27,L 1,2 Ka 27,40,S 2,4 U 40,60,C 4,8 V 60,80,X 8,12 W 80,100,Ku 12,18,微波波段的划分,300M,Hz,3000G,Hz,可见光,1m,电磁波谱,0.1mm,频率,波长,3G,Hz,30G,Hz,300G,Hz,10cm,1cm,1mm,普通无线电波,红外线,紫外线,亚毫米,微 波,分米,厘米,毫米,中波,短波,超短波,长波,3,滤波器的基本原理,滤波器定义,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、矩形系数、功率容量、群时延指标来描述。,4,滤波器的四种形式,低通滤波器,5,低通滤波器电路原型,6,滤波器的四种形式,高通滤波器,7,滤波器的四种形式,带通滤波器,8,带通滤波器电路原型,9,滤波器的四种形式,带阻滤波器,10,带通滤波器技术指标,通带工作频段,指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,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.,11,带通滤波器技术指标,插入损耗,又称衰减,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,.,然而现实中我们无法消除滤波器固有的，某种程度的功率损耗。插入损耗定量的描述了功率响应幅度与,0dB,基准的插值,其数学表达式为,:,其中,PL,是滤波器向负载输出的功率，,Pin,是滤波器从信号源得到的输入功率，一般希望插入损耗越小越好。,12,带通滤波器技术指标,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。,13,带通滤波器技术指标,带外抑制,又称阻带抑制,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。,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减幅度，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。,14,带通滤波器技术指标,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,馈线上同时存在入射波,Ei,和反射波,Er,。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,Emax,，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,Emin,，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。,15,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,Ei,为入射波电压, Er,为反射波电压,当,ZL,和,Z0,都为实数时,16,带通滤波器技术指标,17,带通滤波器技术指标,驻波比的另一个含义相同的名称是回波损耗，单位为分贝（,dB,），二者可如下换算：,18,带通滤波器技术指标,隔离度,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，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的两个通道分别接,rx,与,tx,端，而,ATN,端接,50,欧姆负载时，整个频段（,TX,的高端点与,RX,的低端点之间的带宽）或者两个通带内（,RX,频带内和,TX,频带内）,s12,或者,s21,的值。,19,带通滤波器技术指标,矩形系数,矩形系数是,60dB,带宽,3dB,带宽的比值,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,:,20,带通滤波器技术指标,功率容量,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，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,6,、,7,倍，而矩形波导又比圆波导小,4,倍左右,.,21,带通滤波器技术指标,群时延,信号通过滤波器时的延迟时间，可用以下公式表示：,其中,为滤波器电压转移函数,Ea/EL,的相位，对于,N,个谐振器的带通滤波器，通带内的群时延可近似估计为：,22,滤波器的实现形式,集总参数滤波器,微带线、带状线滤波器,同轴腔体滤波器,波导滤波器,介质滤波器,23,同轴谐振腔滤波器,其结构排列比较灵活，适合于,100MHz,40GHz,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四分之一开路线和二分之一短路线所等效的,LCR,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,UIR(,均匀阻抗匹配,),四分之一波长谐振结构。,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，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，所以产品一致性和稳定性很好。,24,主要由谐振腔、谐振导体、调谐钉组成,25,无加载电容,26,滤波器的结构,27,滤波器的结构,28,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，滤波器的抑制特性一般采用三种设计函数：,1,、巴特沃斯函数；,2,、切比雪夫函数；,3,、椭圆函数。滤波器的损耗近似计算公式为：,L4.34f0/BW/Q*gk,。一般来说，滤波器的特性存在以下规律：,a),滤波器的级数越多，带外衰减越快；,b) Q,值越高，损耗越小；,c),通带带宽越宽，损耗越小；,d),工作频率越高，损耗越大；,29,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。,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。,30,低通原型元件数值表,31,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。,32,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，,j,01,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。,33,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,）。,34,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,。,35,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。,36,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。,37,感性交叉耦合,38,容性交叉耦合,39,容性交叉耦合,40,左图为不加交叉耦合的图形，右图为加交叉耦合后的图形,41,现有移动通信系统主要使用频段,1.GSM,（,Global System for Mobile Communications,）全球移动通讯系统,频率范围,中国移动,GSM900,上行：,890MHz-909MHz,；下行：,935MHz-954MHz,。,中国联通,GSM900,上行：,909MHz-915MHz,；下行：,954MHz-960MHz,。,GSM1800,（,DCS,）,上行：,1710MHz-1785MHz,下行：,1805MHz-1880MHz,42,现有移动通信系统主要使用频段,2.,CDMA (Code-Division Multiple Access),码分多址,上行：,824MHz-849MHz,；,下行：,869MHz-894MHz,。,目前中国联通,CDMA,使用的频率为,上行：,825MHz-835MHz,；,下行：,870MHz -880MHz,43,现有移动通信系统主要使用频段,3.TD-SCDMA,（,Time Division Synchronous Dode Division Multiple Access,）,时分同步码分多址接入,频率范围,1880MHz -1920MHz;,2010MHz -2025MHz,；,补充频段,：,2300MHz -2400MHz,。,44,现有移动通信系统主要使用频段,4. WCDMA,（,Wideband CDMA,）宽带分码多工存取,频率范围,上行：,1920MHz-1980MHz,下行：,2110MHz-2170MHz,45,现有移动通信系统主要使用频段,5.PHS(Personal Handling System),个人手持设备,目前国内典型应用频率为,1900MHz-1910MHz,1900MHz-1915MHz,1900MHz-1920MHz,46,现有移动通信系统主要使用频段,6.WLAN(wireless local area network),无线局域网,无线局域网在,5.8 GHz,和,2.4 GHz,两个频段都可以用做无线局域上网频段,2.4 GHz: 2400MHz-2483.5MHz,5.8 GHz: 5725MHz-5850MHz,47,滤波器产品简介,目前的微波滤波器产品主要分为四大系列,多路合路平台,基站系列产品,直放站系列产品,工程配件,产品范围涵盖了目前移动通信使用的,CDMA,、,GSM,、,DCS,、,PHS,、,WCDMA,、,WLAN,等频段。,48,主要产品：,基站双工器、滤波器,无源模块（滤波器系列）,用于,CDMAGSMWCDMATDDCS,各系统间的合路,多路合路平台,工程配件,双频合路器,三频合路器,功分器耦合器,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,塔顶放大器,CDMA,、,GSM,、,WCDMA,等基站双工器,CDMA,、,GSM,、,WCDMA,等各个频段,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,49,CDMA,、,GSM,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。,50,三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。,51,塔放双工器的应用,52,基 站,天 线,塔 放,53,完谢谢,54,