CHAPTER 10
RF/MICROWAVE FILTERS
射頻微波濾波器
Lugwig, RF Circuit Design: Theory & Applications , Ch 5 Pozar, Microwave & RF Design ……. , Ch 5 Pozar, Microwave Engineering , Ch 9
R. Weber, Introduction to Microwave Circuit: Radio Fequency & Design Applications (Ch 10) * J.-S. Hong & M. J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications
? Filter Configurations & Terms ? Periodic Structure
? Filter Design by the Image Parameter Method
- Image Parameters for T and π Networks - Constant-K Filter Sections - m-Derived Filter Sections - Composite Filters
?
Filter Implementation
- Richard's Transformation - Kuroda's Identities
?
? Coupled Line Filters
? Filters using Coupled Resonators
Microstrip coupled line filter in a microwave mixer
LTCC Ceramic Bandpass filter for
WLAN
Receiver RF Frontend
Interference
Basic Filter Types
BPF Parameters:
? Insertion Loss (IL): )/log(10L in P P IL =
? Ripple; Bandwidth: )3()3(3dB L dB U dB f f BW ?= ? Shape Factor: describing filter sharpness
? Rejection: often specifying 60 dB as the rejection rate
Band-Pass Filter (BPF) 帶通濾波器
Term 用 語 Definition 規 定
Nominal frequency
Specified Center Frequency. 規定的中心頻率
Passband width 通過帶域幅 The frequency band width in which the attenuation is same or less than a specified value A. Pass band width is specified by minimum value.
頻帶寬度的衰減是相同或低於規定的數值A 。通帶（傳輸頻帶）寬度是以最小限度值設定。
Stopband width 減衰帶域幅 The frequency band width in which the attenuation is equal to B. B is specified by maximum value. 頻帶寬度的衰減是相等於B ，B 是最大限度值設定
Ripple 漣 波 Within a pass band, the difference between maximum and minimum attenuation. 在通帶內，介於最大限度及最小限度衰減的不同
Insertion loss 插入損失 21S
The transmitted power difference between a filter inserted or not. 傳輸功率的不同是在於是否有插入濾波器？
Attenuation guaranteed 保證減衰量 (Rejection) The minimum attenuation guaranteed at stop band. 最低限度衰減保證是在停止通帶
Spurious response 贅餘響應 Minimum attenuation caused by unusual response in the stop band.
最低限度衰減是由停止通帶的不尋常反應所造成的 Terminal impedance 終端阻抗11S
A signal impedance and a load impedance of a filter.
信號阻抗及濾波器的負荷阻抗
? 5.8GHz DR Bandpass Filter (BPF)
* DR: dielectric resonator 介質共振器
S
21
b 1
a 1
b 2
2
d B (B P F _5G H z ..S (1,1))
d B (B P F _5G H z ..S (2,1))
5.8GHz Bandpass Filter (BPF)
Center Frequency 5.8GHz
Bandwidth 200MHz Insertion Loss <2dB Return Loss >10dB
Special Filter Realization
The filter types are analyzed first in a normalized low-pass configuration. The low-pass behavior is frequency scaled to implement the remaining filter types through frequency transformation .
1. Butterworth-Type Filter (the maximally flat)
}a 1log{10)1log(IL N 222
in ?+=Γ??=
? : the normalized frequency as introduced before. N : denotes the order of the filter
2. Chebyshev-Type Filter (equi-ripple)
Chebyshev filter approach provides us with a steeper passband/stopband transition than Butterworth filter. But Chebyshev filter has ripple in passband/stopband.
)}(1log{1022?+=N T a IL
)]}([cos cos{)(1?=??N T N , for 1≤? )]}([cosh cosh{)(1?=??N T N , for 1≥?
Kuroda`s Identities
It`s important to be able to convert a partically difficuit-to-implement design to a more suitable filter realized.
* (i.e., a series inductance implemented by a short-circuit transmission line is more complicated to realize than a shunt stub line.)
Example of Microstrip Filter Design
1.Select the normalized filter parameters to meet the design criteria
2.Replace the inductances and capacitances by equivalent 8/λ transmission line
3.Convert series stub lines to shunt stubs through Kuroda`s identities.
4.De-normalize and select equivelent microstrip lines (length, width, and dielectric constant)
Project 1:
Design a low-pass filter (LPF) whose input and output are matched to a
50ohm impedance and that meets the following specification:
-cut-off frequency of 3GHz; equi-ripple of 0.5dB;
-rejection of at least 40dB at approximately twice the cut-off frequency. (Assume a dielectric material in a phase velocity of 60% of the speed of light).
Step1:
Check the Chebyshev filter table. Find the order N=5 meet the specification :
Step2:
Apply Richard`s transformation
The characteristic line impedances and admittances are
Y1=Y5=g1 , Y3=g3 , Z2=Z4=g4
Step3:
Using Kuroda identities
The introduction of unit elements does not affect the filter perfrmance since they are match to load and source impedances.
Step 4:
Select the equivalent microstrip line
s m c v p /108.16.08×==
The length can be found to be mm f v l c p c 5.78/8/==λ=
Microstrip Stepped-Impedance Low-Pass Filters (Pozar MW P 470)
180o 3-dB hybrid balanced mixer with
microstrip stepped-impedance LPF
filters
)
18090(o o or
Microstrip Line Coupled Filter
Input
( port 1 )
Couple ( port 2 )
Through ( port 4 )
Isolation ( port 3 )
Microstrip Coupled Line Bandpass Filter (BPF) (Pozar MW P 474)
9-9.5 GHz coupled microstrip-line BPF (FR-4 substrate)
insertion loss = 3.8 dB@9.24 GHz
* Note: This is only a simple test project which did not have a good performance due to using FR-4 substrate at 10-GHz range
A solid state microwave module (微波模組) with
a microstrip coupled-line bandpass filter (BPF) & couplers
* By Prof. JenShan Lin, University of Florida
Appendix 6A Filters in GSM Receiver
IIM3=-64.39-50.70=-115.09<-108
GSM MS Receiver
NF (dB)Gain (dB)IIP3 (dBm)Po (dBm)NF+ (dB)IP3+ (dBm)
3.20-3.20100.00-52.201.090.00 2.5015.00-10.00-37.201.740.56
2.60-2.60100.00-39.800.00
10.008.000.00-31.801.081.03 5.00
15.003.00-16.800.044.78
6.50-6.50100.00-23.300.00
10.0025.00100.001.700.020.00
Input Pwr (dBm)
-49.00
System Temp (K)290.00Total
6.9250.70-15.96
Modulation: MSK,
System BW (MHz)0.20MDS (dBm)
-114.05Input IP3 (dBm)-15.96BER (Req'd)33.63e-6Eb/No (dB, Req'd)9.00Output IP3 (dBm)34.74Eb/No (dB, Actual)65.05Es/Eb (dB)
N/A OIM3 (dBm)-64.39Srce Temp (K)290.00Sens. Losses (dB)0.00ORR3 (dB)66.09Te Eff. (K)1136.53
Sensitivity (dBm)-105.05IRR3 (dB)22.03G/T (dB/K)
-21.54
SFDR3 (dB)65.39
* By Prof. JenShan Lin, University of Florida
RF & IF Filters of a Receiver Front End for GSM 900 Mobile Station
AD645
https://www.doczj.com/doc/7514413834.html,/develop/index.htm
TX RX 20 MHz / div.
Rx Receiving Tx
* By Prof. JenShan Lin, University of Florida
Find a Dielectric Filter for Image Rejection
t
A LO ωcos IF
ω2r
im
ω
Desired Image LO
Problem of image in heterodyne reception.
* By Prof. JenShan Lin, University of Florida
Find a 71-MHz SAW (Surface Accoustic Wave) Filter
> 50 MHz
(2x Receiver BW)
https://www.doczj.com/doc/7514413834.html,/products/catalog/gsm.htm
* By Prof. JenShan Lin, University of Florida
GSM MS Receiver
NF (dB)Gain (dB)IIP3 (dBm)Po (dBm)NF+ (dB)IP3+ (dBm) 3.20-3.20100.00-52.201.090.00 2.5015.00-10.00-37.201.740.56
2.60-2.60100.00-39.800.00
10.008.000.00-31.801.081.03 5.0015.003.00-16.800.044.78
6.50-6.50100.00-23.300.00
10.0025.00100.001.700.020.00
Input Pwr (dBm)
System Temp (K)290.00Total
6.9250.70-15.96
Modulation: MSK, Coherent System BW (MHz)0.20MDS (dBm)
-114.05Input IP3 (dBm)-15.96BER (Req'd)33.63e-6Eb/No (dB, Req'd)9.00Output IP3 (dBm)34.74Eb/No (dB, Actual)65.05Es/Eb (dB)
N/A OIM3 (dBm)-64.39Srce Temp (K)290.00Sens. Losses (dB)0.00ORR3 (dB)66.09Te Eff. (K)1136.53
Sensitivity (dBm)-105.05IRR3 (dB)22.03G/T (dB/K)
-21.54
SFDR3 (dB)
65.39
IIM3=-64.39-50.70=-115.09<-108
射频电路设计示例 设计任务： 用两种方法设计一个输入、输出为50Ω的低通滤波器，滤波器参数为： (1) 截止频率为3Ghz (2) 在通带内，衰减小于3dB (3) 在通带外，当归一化频率为2时，损耗不小于50dB (4) 相速为光速的60% 设计要求： (1)画出滤波器的电路图。 (2)用微带线实现上述的功能，并画出微带线的结构尺寸。 (3)画出0--3.5Ghz 的衰减曲线。 (4)给出设计的源代码本，利用具体软件(如Matlab, MW- office, ADS 、HFSS 、IE3D 等)操作方法及步骤。 方法一： 切比雪夫滤波器设计： Step1: 画出滤波器的电路图。由课本（p151）知滤波器阶数应为N=5。归一化参数为：g g 514817.3==，g g 427618.0==，5381.43=g 集中参数为：4817 .35 1 == C C ，5381 .43 =C ，2296 .14 2 == L L 图1 归一化5阶低通滤波器电路原理图 Step2：将集中参数变换成分布参数（Richards 变换：电感用短路线代，电容用开路线代）： g Y Y 1 51 = =，g Z Z 2 4 2 = = ，g Y 3 3 = 。
图2 （O.C ＝开路线，S.C=短路线） Step3：将串联线段变为并联线段—Kuroda 规则（P162表5.6）。首先在滤波器的输入、输出端口引入两个单位元件。 因为单位元件与信号源及负载的阻抗都是匹配的，所以到入它们并不 影响滤波器的特性。对第一个并联的短线和最后一个并联短线应用Kuroda 规则-1后得： 2872.12872.014817 .3112 1 =+=+ == N N ， 2231.02872.14817.31 ' ' 2 1 ＝?= = Z Z UE UE 7769.02872 .1151＝== ' ' Z Z S S
可重构或可调谐微波滤波器技术 电子可重构，或者说电调微波滤波器由于其在改善现在及未来微波系统容量中不断提高的重要性而正吸引着人们越来越多的关注来对其进行研究和开发。例如，崭露头脚的超宽带（UWB）技术要求使用很宽的无线电频谱。然而，作为资源的频谱是宝贵而有限的，因此，频谱总是被用于多种用途，这意味着当诸如UWB 无线系统这种操作受到关注时，频谱上充满着不期望的信号。在这种情况下，现存的时时处处都在发生变化的不期望的窄带无线电信号有可能会干扰UWB 系统的波段。这种问题的解决方案是在UWB 带通滤波器的通带上引入了一个可进行电切换或电调谐的狭窄的抑制带（陷波）。这种电子可重构滤波器也是宽带雷达或电子军用系统所渴望得到的。我们可以来未雨绸缪地考虑未来的认知无线电和雷达应用，可以肯定的是，可进行电子重构的微波滤波器将会在无线系统中起到一个更重要的作用。 一般来说，为了开发电子可重构滤波器，有源切换元件或调谐元件，如半导体p-i-n 和变容器二极管，射频（RF）微机电系统（MEMS）或其它基于功能性材料的元件，包括铁电体变容器，需要被集成进入无源滤波器结构中。由于微带线滤波器[1]能够便于以很小的尺寸来完成这类集成，因此，人们对于在微带线的基础上开发可调谐或可重构滤波器的兴趣日益增加[2]-[36]。这些滤波器可以分类为可调谐梳状带通滤波器[2]-[9]，射频微机电系统可调谐滤波器[10]-[15]，压电传感器（PET）可调谐滤波器[17]-[19]，可调谐高温超导（HTS）滤波器[21]-[23]，可重构UWB 滤波器[24]-25]，可调谐双频段滤波器[26]，可调谐带阻滤波器[27]-[31]，可重构/可调谐双模滤波器[32]-[36]，以及基于可切换延迟线的可重构带通滤波器。下面，我们将要介绍若干新近开发出来的典型的电子可重构微带线滤波器。 可调谐梳状滤波器 微带线梳状滤波器是开发可调谐或者说可重构带通滤波器颇受欢迎的结构[2]-[9]。图1 是一个3-极点可调谐梳状滤波器的示意图，其中每一个长度小于工作频率的四分之一波长的微带线谐振器的一端是短路相接的，另一端则加载一只变容器。在这个例子中，变容器是基于铁电体钛酸锶钡（BST）薄膜的。每一个BST 变容器的偏置网络包含有一个与变容器相串联的隔直电容器。带通滤波器的中心频率可以通过改变施加到变容器的直流偏置来进行电子调谐。
射频滤波器如何正确选取，看完全懂了 随着移动设备功能越来越强大，支持的网络频段越来越多，射频前端模块成了移动设备中不可缺少的一部分。举例来说，一款较新的手机至少需要支持2G，3G，4G以及WiFi，GPS等网络制式，而每一个制式都需要自己的射频前端模块。射频前端模块一般包括天线开关，多路器，滤波器，功率放大器与低噪声放大器等等。这些器件目前仍无法用集成度最高的CMOS工艺制造，而必须使用特殊工艺以保证性能。 根据Mobile Expert LLC的研究报告，2016年在智能手机增长萎靡（9%）的情况下，射频前端模块的增长率仍达到了17%。而在射频前端模块中，未来发展最快的，也最关键的模块就是射频滤波器模块。 滤波器到底有多重要 随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求也越来越高。在2G时代，只有一小部分人会使用手机上网下载铃声或浏览wap版网页，需要的数据率大约在1KB／s。在3G时代，随着智能手机的普及，使用运营商网络上网收发邮件，使用各种app等使得网络流量剧增，需要的数据率大约是50KB／s。到了4G时代的今天，直播等应用更是将手机通讯的带宽需求推向了一个新的高度，需要的数据率达到
了1MB／s。 与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。这两个问题是相辅相成：由于频谱资源有限，为了满足人们对数据率的需求，必须充分利用频谱，因此一部手机必须能够覆盖很宽的频带范围，这样在人群拥挤的情况下不同人的设备才能够分配到足够的频谱带宽。同时，为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。 另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对于射频系统的各种性能也提出了严格的需求。 在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。如前所述，随着通信协议越来越复杂，对于通讯协议对于频带内外的需求也越来越高，这也使得滤波器的设计越来愈有挑战性。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，由于每一个频带有需要有自己的滤波器，因此一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。目前，一款4G手机中的需要用到的滤波器数量可达30余个。 随着射频滤波器变得越来越重要，各大射频前端厂商也在积极布局滤波器市场。各大行业研究结构也看好射频滤波器市场未来的发展。
微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的主要技术指标有:中心频率,通带带宽,带内插损,带外抑制,通带波纹等。 微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。 发展历史： 在1937年，由W．P Mason和R．A．Sykes发表的文章中首先研究了微波滤波器，他们是利用了ABCD参数推导出了大量有用滤波器相位和衰减函数。应用映像参数方法当时主要在美国各大实验室中，例如在Mn’实验室里，他们重点研究波导滤波器，而在Harvard实验室重点研究宽带低通、带通同轴及窄带可调谐滤波器。映像参数方法的工作大多在MIT实验室由Fano和Lawson完成，他们的著作对于微波滤波器有比较清晰的介绍，甚至在40年后还有应用价值。在随后的微波滤波器理论的研究和发展过程中，许多专家和学者作出了重大的贡献。Cohn在集总元件低通滤波器原型机的基础上第一个提出了方便实用的直接耦合空腔滤波器理论。上世纪60年代，G．L．Matthaei在其专著中对微波滤波器的经典设计方法作出了较全面、系统的介绍，但主要针对最平坦型和契比雪夫型，未涉及椭圆函数型和广义契比雪夫型。70年代初，A．E．Williams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器。A．E．Atia,A．E．Williams和R．W．Newcomb对交叉耦合合展开研究，总结出传输零点对称分布时的偶模网络和相应的偶模矩阵的综合方法。Levy建立了集总和分布原型的元件公式间的联系，给出了推导原型元件的简单而准确的公式；Rhode建立起了线性相位滤波器理论。1999年Richard J．Cameron把广义契比雪夫滤波器的传输零点由实数扩展到复数，从而将传输零点和时延结合起来研究，提出用循环递归的方法构成广义契比雪夫的传输和反射函数多项式，根据导纳矩阵和部分分式展开求取留数，再利用施密特正交变换的方法综合耦合矩阵，其矩阵综合和消零计算量较大。如何将不可实现或不是最简的耦合元素消零成为研究热点，但目前国际上主要采用相似变换(矩阵旋转)尽可能多地消去非零元。这一系列贡献，都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。
毕业论文开题报告 题目微波滤波器的设计与仿真 学生姓名薛新月学号 1113024098 所在院(系) 物理与电信工程学院 专业班级通信 1103 班 指导教师薛转花 2015 年 3 月 7 日
题目微波滤波器的设计与仿真 一、选题的目的及研究意义 随着科技不断进步，无线通信前所未有的融入到生活中，尤其是贴近日常应用的短距离无线数据业务更是迅猛发展。例如WLAN、WIFI、蓝牙等短距离无线的广泛应用。极大的推动了滤波器技术的发展，也对滤波器的性能提出了更高的要求。微波滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统中必不可少的组成部分。微波滤波技术广泛应用于卫星通信、移动通信、雷达系统、导航系统等，可谓无处不在。微波滤波技术的发展经历了半个多世纪，可谓品种繁多，性能各异。可按频率响应特性分为低通、高通、带通、带阻；也可按网络函数分为最大平坦型、切比雪夫型、线性相位型和椭圆函数型；还可按工作模式、频带、频段等进行划分。面对现代通信系统对滤波器性能要求日趋严格，微波滤波技术朝着体积小、重量轻、低损耗、高可靠性、高温补性能等的综合性滤波器发展。 随着无线通信的个人化、宽带化，越来越需要人性化和高性能的终端设备，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器来满足体积小、重量轻的系统要求。 二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 研究现状：微带滤波器在通信、信号处理、雷达等各种电路系统中具有广泛用途。随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善提出了更高的要求。发达国家都在利用新材料和新技术来提高器件性能和集成度，同时，尽可能地降低成本，减小器件尺寸和降低功耗。与国外相比，我国的微带滤波器的发展还有一定的差距。 目前，国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件，比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。他们生产的各种微波介质陶瓷滤波器、双工器、谐振器、介质天线等产品已用于微波基地站、手机及无绳电话等产品中，取得了显著的经济和社会效益。 发展趋势：随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透，新材料和制造工艺技术的发展，如单片集成电路、MEMS、LTCC等工艺，极大地带动了微带和其他类型滤波器的飞速发展。全国固态化的各类片式高频、微带滤波器和中频滤波器，向着高性能、低成本、小型化、高频化等各方面飞快发展。 研究方法：微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。 工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通
摘要：按微波滤波器的传输线的种类进行了分类，并按照这种分类方法对各种微波滤波器的性能指标、设计方法进行了详细的介绍。 关键词：微波滤波器；性能指标；设计方法 前言：随着现代微波通信,尤其是卫星通信和移动通信的发展,系统对通道的选择性越来越高,这对微波滤波器的设计提出了更高的要求,而微波滤波器作为通信系统中的重要部分,其性能的优劣往往决定了整个通信系统的质量。因此研究微波滤波器的性能指标和设计方法具有重要意义。 微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的主要技术指标有:中心频率,通带带宽,带内插损,带外抑制,通带波纹等。 微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。本文是按照传输线的分类来对各种微波滤波器的主要特性进行详尽的分析。 一、微带滤波器 主要性能指标： 频率范围：500MHz～6GHz 带宽：10%～30% 插入损耗：5dB(随带宽不同而不同) 输入输出形式：SMA、N、L16等 输入输出驻波:1.8:1 微带滤波器主要包括平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、微带类椭圆函数滤波器。 半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式。其结构紧凑、第二寄生通带的中心频率位于主通带中心频率的3倍处、适应频率范围较大、适用于宽带滤波器时相对带宽可达20%。其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，
射频微波滤波器的设计仿真与测试
一、实验目的 1.掌握低通原型滤波器的结构 2.掌握最平坦和等波纹型低通滤波器原型频率响应特性 3.了解频率变换法设计滤波器的原理及设计步骤 4.了解利用微带线设计低通、带通滤波器的原理方法 5.掌握用ADS 进行微波滤波器优化仿真的方法与步骤。 二、实验原理 2.1．滤波器的技术指标 中心频率，通带最大衰减，阻带最小衰减，通带带宽，插入损耗，群时延，带内纹波，回波损耗，驻波比 2.2 插入衰减法设计滤波器 通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性： 插损法是一种系统的综合方法，可高度地控制整个通带和阻带内的幅度和相位特性，可以计算出满足应用需求的最好响应。如要求插损小，可用二项式响应；而切比雪夫响应能满足锐截止的需要；若可牺牲衰减率的话，则能用线性相位滤波器设计法获得好的相位响应。插损法使滤波器性能提高的最为直接的方法便是增加滤波器的阶数，滤波器的阶数等于元件的个数。 2.3 集总元件低通滤波器原型 最平坦响应滤波器设计 dB P P L L in A lg 10
2.4 滤波器的实现--频率变换 变换后在对应频率点上衰减量不变，须对应的元件值在两种频率下的具有相同的阻抗 2.5 滤波器的设计步骤 （1）由衰减特性综合出低通原型 （2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型 （3）计算滤波器电路元件值(集总元件) （4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真 三．练习题 对下面结构的微带支节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。
原理图： 仿真结果：
版图 仿真结果： 实验结果分析：结果基本上达到要求。带宽2.35GHZ-2.55GHZ，袋内衰减在3dB以内，2.3GHZ一下以及在2.75GHZ以上衰减达到大于40dB，端口反射系数较小。 四．滤波器的测量--AV36580A矢量网络分析仪
高通滤波器：英文名称为high-pass filter，又称低截止滤波器、低阻滤波器，允许高于某一截频的频率通过，而大大衰减较低频率的一种滤波器。它去掉了信号中不必要的低频成分或者说去掉了低频干扰。其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。 高通滤波器是一种让某一频率以上的信号分量通过，而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。其特性在时域及频域中可分别用冲激响应及频率响应描述。后者是用以频率为自变量的函数表示，一般情况下它是一个以复变量jω为自变量的的复变函数，以H（jω）表示。它的模H（ω）和幅角φ（ω）为角频率ω的函数，分别称为系统的“幅频响应”和“相频响应”，它分别代表激励源中不同频率的信号成分通过该系统时所遇到的幅度变化和相位变化。可以证明，系统的“频率响应”就是该系统“冲激响应”的傅里叶变换。当线性无源系统可以用一个N阶线性微分方程表示时，频率响应H（jω）为一个有理分式，它的分子和分母分别与微分方程的右边和左边相对应。 高通滤波器原理及分类 高通滤波器按照所采用的器件不同进行分类的话，会有源高通滤波器、无源高通滤波器两类。 无源高通滤波器：无源高通滤波器：仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 实际滤波器的基本参数：理想滤波器是不存在的，其特性只需截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，故需用更多参数来描述。 高通滤波器技术指标有：
实验一 射频滤波器设计 一、实验目的 （1）了解微波滤波电路的原理及设计方法。 （2）学习使用ADS 软件进行微波电路的设计，优化，仿真。 （3）掌握微带滤波器的制作及调试方法。 二、实验内容 （1）使用ADS 软件设计一个微带带通滤波器，并对其参数进行优化、仿真。 （2）根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。 （3）对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。 三、 设计指标 设计指标：通带3.0－3.1GHz ，带内衰减小于2dB ，起伏小于1dB ，2.8GHz 以下及3.3GHz 以上衰减大于40dB ，端口反射系数小于-20dB 。 四、实验原理 下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振电路。 在进行设计时，主要是以滤波器的S 参数作为优化目标进行优化仿真。S21(S12)是 传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21(S12)随频率变化曲线的形状上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出 端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。 五、实验步骤 （ 1）启动ADS （2）创建新的工程文件 （3）生成微带滤波器的原理图，如图1 所示。 图1 微带滤波器原理图 等效电路
(4) 设置微带电路的基本参数 双击图上的控件MSUB设置微带线参数 H:基板厚度(0.8 mm) Er:基板相对介电常数(4.3) Mur:磁导率(1) Cond:金属电导率(5.88E+7) Hu:封装高度(1.0e+33 mm) T:金属层厚度(0.03 mm) TanD:损耗角正切(1e-4) Roungh:表面粗糙度(0 mm) (5) 计算微带线的线宽和长度 滤波器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具得到，具体方法是点击菜单栏Tools -> LineCalc -> Start Linecalc，填入50 Ohm和90 deg可以算出微带线的线宽1.52 mm和长度13.63 mm(四分之一波长)。 (6) 设置微带器件的参数 双击两边的引出线TL1、TL2，分别将其宽与长设为1.52 mm和2.5 mm(其中线长只是暂定，以后制作版图时还会修改)。通过添加变量实现对五个耦合线节微带线线长L，宽W和缝隙S的尺寸进行设置。由于平行耦合线滤波器的结构是对称的，所以五个耦合线节中，第1、5及2、4节微带线长L、宽W和缝隙S的尺寸是相同的。图2是设置微带器件参数后的原理图 图2 设置微带器件参数后的原理图
第2章射频微带滤波器基础理论 频率的提高意味着波长的减小，该结论应用于射频电路中，就是当波长与分立元件的集合尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，以波的形式进行传播。经典的基尔霍夫电压和电流定律没有考虑电压和电流在空间的变化，则必须对普通的集总电路做重大的修改。 本章首先介绍了射频微带滤波器设计中所涉及的基本概念，然后介绍了二端口网络理论和谐振与耦合理论。 2.1 传输线理论 2.1.1 均匀传输线的概念和模型 频率提高后，导线中所流过的高频电流会产生趋肤效应，工程上常用趋肤深度δ来描述这种趋肤效应，δ为电磁波场强的振幅值衰减到表面值1/e所经过的距离，由于趋肤效应使得导线有效面积减小，高频电阻加大，而且沿线各处都存在损耗，这就是分布电阻效应；通高频电流的导线周围存在高频磁场，这就是分布电感效应；由于两导线之间有电压，故两线之间存在高频电场，这就是分布电容效应；由于两线间的介质并非理想介质而存在漏电流，这相当于双线间并联一个电导，这就是分布电导效应。基于上述的物理事实，便可得出双线传输线等效模型[18]如图2.1所示。 图2.1 双线传输线等效模型 图2.1中，R1为单位长度的分布电阻，L1为单位长度的分布电感，G1为单位长度的分布电导，C1为单位长度的分布电容。
2.1.2 均匀传输线相速与波长 相位速度是等相位面传播的速度，简称相速。在均匀传输线理论中等相位面是垂直于z 轴的平面，相速v p 为 β ω==dt dz v p （2-1） 在一个周期的时间内波所行进的距离称为波长，波长λp 为 βπ λ2===T v f v p p p （2-2） 其中f 为电磁波频率，T 为振荡周期。 2.1.3 均匀传输线特性阻抗 入射电压与入射电流之比或反射电压与反射电流之比称为特性阻抗（即波阻抗），特性阻抗Z 0为 1 1110C j G L j R Z ωω++= （2-3） 对于微波传输线由于频率很高，11R L j ω<<、11G C j ω<<，则 1 10Z C L = （2-4） 2.1.4 均匀传输线传播常数 传播常数γ表示行波经过单位长度后振幅和相位的变化，其表示式为 βαωωγj C j G L j R +=++=))((1111 （2-5） 由于实际微波传输线的损耗R 1、G 1比ωL 1、ωC 1小得多，式（2-5）经变换后可得 22220101111111Z G Z R C L G L C R +=+= α （2-6） 其中：0 12Z R c =α ——由导体电阻引起的损耗； 2 01Z G d = α ——由导体间介质引起的损耗。
射频滤波器的种类、作用及原理 一、概述 1．射频滤波器定义 凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器，相当于频率“筛子”。 2．射频滤波器分类 幅频特性如下
频率通带：能通过滤波器的频率范围 频率阻带：被滤波器抑制或极大地衰减的信号频率范围。 截止频率：通带与阻带的交界点。 2）按物理原理分：机械式、电路式 按处理信号分：模拟、数字 3．射频滤波器的作用 1）将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比； 2）滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度； 3）从复杂频率成分中分离出单一的频率分量 。 二、理想滤波器与实际滤波器 1．理想滤波器的频率特性 理想滤波器：使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻喧内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。 如理想低通滤波器的频率响应函数为
理想滤波器实际上并不存在。 2．实际滤波器 实际滤波器的幅频特性如下图所示 实际滤波器的特性需要以下参数描述： ①信频程选择性： 与上、下截止频率处相比，频率变化一倍频程时幅频特性的衰减量，即 信频程选择性总是小于等于零，显然，计算信量的衰减量越大，选择性越好。 ②滤波器因素：－60dB处的带宽与－3dB处的带宽之比值，即 ③分辨力：即分离信号中相邻频率成分的能力，用品质因素Q描述。 3．实际带通滤波器的形式 ①恒定带宽带通滤波器:B=常量，与中心频率f0无关。
②恒定百分比带通滤波器： 在高频区恒定百分比带通滤波器的分辨率比恒定带宽带通滤波器差。 三、RC无源模拟式滤波器 1．一阶RC低通滤波器
一、滤波器的原理 射频滤波器定义： 凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器，相当于频率“筛子”。 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。 广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。 二、滤波器分类 1、根据频率特性（幅频特性与相频特性），可分为带通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器、低通滤波器以及高通滤波器。 ⑴带通滤波器 它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。 带通滤波器（中间通，两边不通） （2）带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。
带阻滤波器（中间不通，两边通） （3）低通滤波器 从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。 低通滤波器（低频率通过） （4）高通滤波器 与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。
高频，射频，微波的区别 射频隔离器、微波隔离器、高频负载、高频衰减器、射频环形器、微波环形器 高频：就是频率高（VHF或UHF,SHF），单位一般是MHz(兆赫)表示 射频：Radio Frequency, 简称RF。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。 目前应用最广泛的自动识别技术大致可以分为两个方面：光学技术和无线电技术两个方面。其中光学技术中普遍应用的产品有：条形码和摄像两大类，这两类产品目前已广泛应用于人们的日常生活中， 微波：微波的频率极高，波长又很短，其在空中传播特征与光波相近，也就是直线前行，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通讯的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。用于微波通信，是使用波长在0.1mm至1m之间的电磁波——微波进行的通信。微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。 利用微波进行通信具有容量大，质量好并传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要的通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。 我国微波通信广泛应用L,S,C,X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。
关于优译： 优译提供同轴衰减器： 频率范围0至26.5GHz,高达2000W功率。应用于民用，军事，航天，空间技术等。低插损，高隔离器，高功率。 可按照客户要求定制生产。 优译提供定向耦合器： 频率0.4-18GHz。 应用于民用，军事，航天，空间技术等。低噪声，高功率，高增益。 可按客户要求订制生产。 优译提供波导同轴转换： 频率范围0.35-65GHz。
射频滤波器的设计与仿真 摘要 射频滤波器，主要用于电子设备、频率高工作更大的衰减高频电子设备产生的干扰信号。射频滤波器是最基本射频设备。能够由微带线组成，也能够由电阻,电容等组成。 由实践可知，很多射频系统中的元件不存在准确频率选择性，因此往往需要添加滤波器，用来极其准确地完成设定的选择特性，所以对射频滤波器的设计有重要的意义。在射频有源电路的各级之间都可以借助滤波器对射频信号进行隔离、选择或是重新组合。 在设计模拟电路时，需要对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做放大或衰减处理。这是十分重要的任务，因此本文将重点研究如何设计和实现这个任务的射频电路——射频滤波器。 关键词：射频，微波滤波器，微带线，workbench ,Advanced Design System；
The design and simulation of radio frequency filters ABSTRACT Rf filter, mainly used in electronic devices, high frequency work greater interference signal attenuation of high frequency electronic device. Rf filter is the most basic radio frequency devices. Can consist of microstrip line, also can by resistance, capacitance, etc. The practice shows that a lot of rf components do not exist in the system accurate frequency selective, so often need to add the filter, used extremely accurately complete set of selected features, so the design of rf filter has an important significance. Between active rf circuit at all levels can use filter to segregate, choice or rearrange the rf signal. In analog circuit design, the need for high frequency signal at a particular frequency or frequency component in the spectrum for amplification or decay process. It is very important task, so this article will focus on how to design and implement the task of rf circuit, rf filter. Keywords: R f, Microwave filter, Microstrip line, The workbench; ADS;
《微波原理与技术》期末论文 ——微波滤波器介绍 姓名：蔡松 学号：P081613473 班级：08电信1班 指导老师：李国剑 时间：2011-12-20
微波滤波器介绍 一：微波滤波器的定义 微波滤波器, 它的基础是谐振电路，只要能构成谐振的电路组合就可以实现滤波器功能。微波滤波器利用集总参数即各种射频/微波传输线形成的谐振器，理论上滤波器是无耗元件。由于微波的特殊性, 微波电路所采用的元件在结构上和普通电路所用的元件是截然不同的。元件结构上的这种差异引起了微波滤波器的特殊性, 当然作为滤波器, 它和其他滤波器具有许多共性。 微波滤波器的指标形象的描述了微波滤波器的频率响应特性。其指标有：工作频率；擦损带宽；带内纹波；带外抑制；承受功率；插入相移和时延频率特性。微波滤波器搭建起来很简单，但理解起来比较复杂。它们在系统中完成一个基本的功能：阻止某些信号，通过其它信号。但可以用许多不同的方式实现这种功能，而且有许多不同的副作用，例如系统幅度和相位响应失真等。因此在选择滤波器之前，了解它们之间的差异很有帮助。 滤波器有各种配置：低通、高通、带通和带阻或频带抑制滤波器。如同名字的含义那样，低通滤波器对截止点以下信号的衰减最小，同时抑制截止点以上的信号。高通滤波器与此相反。带通滤波器在围绕中心频率的通带内有最小的衰减，对通带以上和以下信号有很高的抑制。带阻滤波器与此相反，阻止围绕中心频率的窄带宽内的信号，允许所有其它信号通过。此外，具有不同频率范围的一对带通滤波器可以组合起来形成双路器(diplexer)，或将三个带通滤波器组合起来形成三路器(triplexer)，而低通和高通滤波器可以组合形成双工器。 理想情况下，滤波器对设计要通过的信号的衰减应为0dB，对设计需要抑制的信号的衰减应无穷大。在实际应用中，电介质基板材料、导体、和连接器都会造成损耗和非理想的滤波器行为。因此针对指定应用选择哪种滤波器需要考虑许多因素。 二：微波滤波器应用选择的考虑因素： 滤波器响应类型包括巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔和椭圆形滤波器，每种滤波器都有不同的响应曲线，适合特定的应用场合。 例如，巴特沃斯滤波器为了最大限度在保证通带内幅度变化最小，牺牲了从通带到阻带的陡峭过渡。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线
射频系统仿真实验报告 射频滤波器设计 姓名： 学号： 三峡大学计算机与信息学院电子信息工程系 2014/5/5
一、设计要求 设计一个三阶原型Butterworth 低通滤波器。要求：H f =10GHz ，电长度4 π θ= 。 二、设计方案 在三阶原型Butterworth 低通滤波器的基础上，采用kuroda 变换。变为可实现的结构。 1) 三阶原型Butterworth 低通滤波器： 注：并联元件的单位是电纳，串联元件的单位是电抗 2) 传输线实现集总参数的电感电容： θtg jZ jX Z L L 0== （ 8λ 的短路线） θjtg 记为S θtg jY jB Y c c 0== （8 λ 的开路传输线）
3) 插入单位元件后再进行Kuroda 规则变换。目的是变成可实现的物理结构。 采用如下变换： 取1 2 1Z Z Z N += 时两者等效。 所以Z=1的单位元件并联Y=1的8λ开路传输线变为：Z=1/2的8 λ 短路传输线和Z=1/2的单位元件相串联。 上图交换为如下： 4) 再插入一个单位元件，如下图： ?
利用Kuroda 规则： 取1 2 1Z Z Z N += 即可。 所以Z=1的单位元件串联Z=1/2的8λ短路传输线变为：并联的Y=3的8λ开路传输线和Z=1.5的单位元件。 所以Z=1/2的单位元件串联Z=2的8λ短路传输线变为：并联的Y=8/5的8 λ 开路传输线和Z=2.5的单位元件。 整个电路如下图： 5) 阻抗交换： 采用8 λ 开路传输线 单位值Ω?50。 ∴ 变换后特征阻抗为： ?