RF滤波器的基础知识

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1、RF/微波滤波器的基础知识褚庆昕华南理工大学电子与信息学院射频与无线技术研究所内容引言RF/微波滤波器的综合RF/微波滤波器CAD概念常用RF/微波滤波器一、引言1.1滤波器的基本概念1.2滤波器的分类1.3滤波器的综合方法1.4滤波器的发展历史与趋势1.1滤波器的基本概念在射频/微波系统中通常需要把信号频谱中有用的几个频率信号分离出来而滤除无用的其他频率信号，完成这一功能的设备称为滤波器。在无线通信系统中，滤波器是一种关键的射频部件。滤去镜频干扰、衰减噪声，频分复用用于高性能的振荡、放大、倍频、混频电路

2、有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构RF/微波滤波器是指通带范围在射频与微波频段的滤波器。RF/微波频段划分无线通信发射/接收系统1.2滤波器的分类通常采用工作衰减LA来描述滤波器的幅值特性。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。滤波器按结构分类无源滤波器有源滤波器LC滤波器晶体和陶瓷滤波器机械滤波器分布参数滤波器RF有源滤波器数字滤波器滤波器RF/微波滤波器的综合方法很多，可以概括为分布参数法影象参数法网络综合法集总参数法1.3滤波器的综合方法“分布参数法”是根据插入衰减或插入相移

3、函数，直接应用传输线或波导理论，找出微波滤波器元件结构。“影象参数法”是以影象参数为基础，将低频网络理论设计出的等效电路中的各个元件，用微波结构来模拟。“网络综合法”是以衰减或相移函数为基础，利用网络综合理论，先求出集总元件低通原型电路（利用适当的频率变换函数，可变换为所需要的高通、带通、带阻），然后，再将集总元件原型电路中各元件用微波结构来实现。1.4通信领域滤波器的发展历史1910，载波电话系统推动滤波器的发展；1915，Wagner滤波器设计，随后，Zobel,Foster,Cauer,Norton

4、系统研究了集中元件滤波器设计方法；1933，Mason石英晶体滤波器；1940，基于传递函数的精确滤波器综合方法；50年代，分布元件（同轴、波导）滤波器。代表人物：Cohn,Levy,Matthaei。70年代，微波集成电路的发展带动了集成滤波器（微带、带状线）发展；80年代，低损耗材料的突破使得非金属滤波器（介质、陶瓷）的应用成为可能；90年代以来，移动和卫星通信的发展，要求小体积、低损耗、高选择性滤波器，因此，准椭圆滤波器（具有有限传输零点）成为研究热点。同时，出现各种致力小型化的特种材料滤波器（超导

5、、三维、LTCC).二、RF/微波滤波器的综合2.1滤波器综合过程2.2低通原型滤波器2.3低通原型滤波器的传递函数2.4典型低通原型滤波器综合2.5频率变换2.1滤波器综合过程2.2低通原型滤波器低通原型滤波器是指元件值和频率都归一化的低通滤波器。元件值归一化是对源电阻或导纳归一化。频率归一是对截止频率归一化。集总参数的低通原型滤波器（简称低通原型）是设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通和带阻滤波器的传输特性都是根据此原型特性变换而来。2.3低通原型滤波器的传递函数理想的滤波特性，用有限个元件的电抗网

6、络是无法实现的。实际的滤波器只能逼近理想滤波器的衰减特性。因此，在综合滤波器时，首先要确定一个逼近理想滤波器特性的传递函数，然后再根据传递函数综合具体的电路结构。一个无源无耗滤波器的传递函数的振幅的平方定义为：对于线性时不变网络，传递函数可以定义成有理函数的形式：对于一个给定的传递函数，滤波器的插入损耗响应为：在无源无耗的二端口网络中,滤波器的回波损耗为如果有理传递函数是已知的，则滤波器的相位响应为滤波器的群延迟响应为：对于衰减特性，选取传递函数首先应满足下面的性质：（1）（2）在满足上述性质的基础上，再

7、考虑电路的可实现性，就可以确定具体传递函数。实用中广泛使用的传递函数有：最平坦型、切比雪夫型、椭圆函数型、。最平坦(Butterworth)响应最平坦型传递函数的插入损耗为该函数的特点是在＝0处的函数值、一阶、二阶、…直至n阶导数均为零。有理传输函数为没有有限的频率零点，所有零点都在无限远处，而极点在左半平面的单位圆的等角点上。最平坦响应和极点分布Butterworth响应在零点附近与理想的低通滤波器近似得最好，而在接近于截止频率时，最差。Chebyshev响应Chebyshev响应传递函数的振幅平方为

8、式中波纹常数，由给定的通带波纹确定是n阶第一类Chebyshev函数Rhodes给Chebyshev滤波器导出一个通用的有理传输函数Chebyshev响应在通带内等波纹，通带外陡峭。与最平坦响应的情况类似，零点在无限远处，但是极点落在左半平面的椭圆上.Chebyshev响应和极点分布椭圆函数响应椭圆函数响应的传递函数的振幅平方为式中，当且时，将在间振荡。下图是n=4和n=5时的两种典型的振荡曲线。比较中的零点和极点，发现它们刚