微波濾波器簡介

微波濾波器，用來過濾或分離不同微波頻率信號的元件。微波濾波器分低通、高通、帶通和帶阻四種類型(高通常用寬頻帶的帶通濾波器代替)，它們的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和設(shè)計方法因不同的工作頻率、頻帶寬度、功率容量等指標(biāo)而有顯著差別。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計出一個具有高性能的濾波器，對設(shè)計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一。

最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃榈屯?、高通、帶通及帶阻四種類型。

按濾波器的頻率響應(yīng)來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等;按濾波器的構(gòu)成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類;按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

微波濾波器采用分布參數(shù)電路，或集總與分布參數(shù)電路相結(jié)合的電路,結(jié)構(gòu)以微波傳輸線、波導(dǎo)為主體(圖a~c),也可以直接利用金屬諧振腔或介質(zhì)諧振器(圖d,e)。光學(xué)和準(zhǔn)光學(xué)濾波器的結(jié)構(gòu)也可用于毫米波頻率(圖f，g)。各種結(jié)構(gòu)都可設(shè)計成寬帶或窄帶的濾波器。此外，濾波器的結(jié)構(gòu)決定受擊穿強度、溫升等限制的功率容量，只有金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)才可能承受較高的功率。

微波濾波器輸出端的頻域響應(yīng)函數(shù)(電壓或電流)與輸入端的頻域激勵函數(shù)(電壓或電流)之比稱為頻域傳遞函數(shù)H(jω)。表示濾波器相位-頻率特性的相時延為Tp=ω/β，用分貝表示;衰減-頻率特性(簡稱頻率響應(yīng))常采用最平坦型、切比雪夫型和橢圓函數(shù)型。

微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)包括工作頻率、頻帶寬度、帶內(nèi)衰減、帶外衰減、時延特性等設(shè)計指標(biāo);功率容量、溫度穩(wěn)定性、機械強度及穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)指標(biāo)。

微波濾波器的設(shè)計法有近似綜合法、準(zhǔn)確綜合法和計算機輔助設(shè)計等方法。近似綜合法是先根據(jù)預(yù)期的頻率響應(yīng)綜合出低通原型，然后應(yīng)用近似頻率變換得出所需要的微波低通、高通、帶通或帶阻濾波器，再用適當(dāng)?shù)奈⒉ńY(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。頻率變換是指在衰減相同的條件下低通原型的歸一化頻率與微波濾波器頻率之間的關(guān)系。不同的濾波器特性和結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的近似變換式。

準(zhǔn)確綜合法是先引入準(zhǔn)確的頻率變換S =Λtgθ，其中θ與濾波器頻率有關(guān)，S是變換頻率，Λ是帶寬因子。濾波器結(jié)構(gòu)中長度相等的短截線、開路線和聯(lián)接線(通常是1/4中心波長)可分別用S面上的L、C 和單位元件來表示。濾波器的頻率響應(yīng)也變換成用S表示，然后根據(jù)S面上網(wǎng)絡(luò)綜合的結(jié)果,將其中的L、C 和單位元件逆變換成對應(yīng)的短截線，用微波結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)濾波器。準(zhǔn)確綜合法僅限于設(shè)計等長度短截線濾波器，應(yīng)用并不普遍。

用近似綜合法和準(zhǔn)確綜合法通常的設(shè)計都是在理想電路結(jié)構(gòu)的假定下進行的，不易達到預(yù)定指標(biāo)。借助計算機輔助設(shè)計可以計入微波結(jié)構(gòu)中的損耗和不連續(xù)性等非理想因素的影響，并能利用最優(yōu)化方法設(shè)計出性能符合預(yù)定指標(biāo)的濾波器。

微帶濾波器的設(shè)計指標(biāo)主要包括:

1絕對衰減(Absoluteattenuation):阻帶中最大衰減(dB)。

2帶寬(Bandwidth):通帶的3dB帶寬(flow-fhigh)。

3中心頻率:fc或f0。

4截止頻率。下降沿3dB點頻率。

5每倍頻程衰減(dB/Octave):離開截止頻率一個倍頻程衰減(dB)。

6微分時延(differentialdelay):兩特定頻率點群時延之差以ns計。

7群時延(Groupdelay):任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延(ns)。

8插入損耗(insertionloss):當(dāng)濾波器與設(shè)計要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，dB

9帶內(nèi)波紋(passbandripple):在通帶內(nèi)幅度波動，以dB計。

10相移(phaseshift):當(dāng)信號經(jīng)過濾波器引起的相移。

11品質(zhì)因數(shù)Q(qualityfactor):中心頻率與3dB帶寬之比。

12反射損耗(Returnloss)

13形狀系數(shù)(shapefactor):定義為。

14止帶(stopband或rejectband):對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(如60dB點)的帶寬。

工程應(yīng)用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等);輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小;群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為dU/df，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真;寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

微波濾波器的分類方法很多，根據(jù)通頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器;按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型;根據(jù)工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器;按濾波器的傳輸線分類可分為微帶濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、小型集總參數(shù)濾波器、陶瓷介質(zhì)濾波器、sir(階躍阻抗諧振器)濾波器、高溫超導(dǎo)材料等。本文是按照傳輸線的分類來對各種微波濾波器的主要特性進行詳盡的分析。

微波濾波器是一類無耗的二端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達、電子對抗及微波測量儀器中，在系統(tǒng)中用來控制信號的頻率響應(yīng)，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有:中心頻率,通帶帶寬,帶內(nèi)插損,帶外抑制,通帶波紋等。

頻率范圍:500mhz~6ghz 帶寬:10%~30% 插入損耗:5db(隨帶寬不同而不同) 輸入輸出形式:sma、n、l16等 輸入輸出駐波:1.8:1