现代滤波器设计讲座7
滤波器的设计PPT讲解

3.带通滤波器
功能:让有限带宽( wL w wH )内的交流信号 顺利通过,让频率范围之外的交流信号受到衰减。
wL ——下限频率, wH ——上限频率,
带宽:Bw wH wL
中心角频率:
w0 wn wH wL
A0 s n / 2 带通滤波器传递函数的一般表达式为: A((s) D( s )
A0 为常数, D ( s ) 为多项式, s
jw
A((s ) 的零点在 w 处。 二阶低通滤波器传递 2 A w 0 n 函数的典型表达式为: A( s) wn 2 2 s s wn wn 为特征角频率,Q 为等效品质因数。 Q
2.高通滤波器(HPF) 让高于截止频率 wc 的高频信号通过, 而对从0到阻带频率 ws 的低频频率受到衰减。
三、参数
3、阻尼系数与品质因数
– 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用, 是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 –阻尼系数的倒数称为品质因数,是评价带通与带阻滤波器 频率选择特性的一个重要指标,Q= w0/△w。式中的△w为 带通或带阻滤波器的3dB带宽, w0为中心频率。
4、灵敏度
–滤波电路由许多元件构成,每个元件参数值的变化都会影 响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x 变化的灵敏度记作Sxy,定义为: Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 –该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念,该 灵敏度越小,标志着电路容错能力越强,稳定性也越高。
A0 A( S ) n S an1 S n1 a1 S a0
多项式系数 an1 , a1 , a0 可根据不同的 次n查表得到 。
和阶
3. 贝赛尔滤波器:
滤波器基本知识介绍讲解共28页PPT

谢谢!
滤波器基本知识介绍讲 解
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌,集体的声音, 集体的 动作, 集体的 表情, 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律, 否则一 切都会 陷入污。— —夸美 纽斯
10、一个人应该:活泼而守纪律,天 真而不 幼稚, 勇敢而 鲁莽, 倔强而 有原则 ,热情 而不冲 动,乐 观而不 盲目。 ——马 克思
61、奢侈是舒适的,否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学,如日出之阳;壮而好学 ,如日 中之光 ;志而 好学, 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也,匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里,与其说好 的教师 是幸福 ,不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战,就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
现代滤波器设计讲座(2_2)

HFSS Calibration:
Length of the two outermost resonators = 113.399 mm Length of the five inner resonators = 114.69 mm Antenna distance = 1.879 mm Distances between resonators are 25.513 mm , 28.291 mm , 28.767 mm
带通滤波器仿真结果
现代滤波器设计讲座(二)
3、设计三维结构
电子科技大学 贾宝富 博士
确定合适的腔体结构
建立中间腔体计算模型
• A=30mm • B=60mm • C=120mm • R1=5mm • R2=6mm • R3=8mm • L=114.5mm • H=15mm
计算结果
1、确定腔体Q0值; 2、确定中间腔体的几 何尺寸
Q0 ≈ 2700; Length = 114.69mm;
腔体间的耦合结构
腔体间耦合结构的类型有很 多种类型。
电耦合; 磁耦合; 混合耦合。
耦合系数--电壁/磁壁法
对于对称耦合谐振器的 情况,两个谐振器频率完全 相同,这样可以将耦合谐振 器从对称面劈开,如右图所 示。 在对称面上分别设置为完全导电面(PEW)和完全导磁 面(PMW),在HFSS中用本征模求解器,得到的本征频率分 别对应 fe 和 f m ,耦合系数可以用一个通用公式表示
与外电路连接的腔:
腔体的损耗也有两部分;
fr2 =ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱf0
1 − 2Q
0
腔体材料产生的损耗(金属材料趋肤效应产生的欧姆损耗和介 质材料tanδ产生的介质损耗) 1 1 Δf r1 = − − 与外电路和相邻腔耦合的能量
滤波器技术讲座系列

LC滤波器技术
三奇科技有限公司
LC滤波器技术讲座
讲座内容
• LC滤波器基本知识介绍 • LC滤波器器性能特点 • LC滤波器器使用说明
LC滤波器基本知识介绍
引言: LC滤波器由于其价格优势、且不受硬件限制,广泛应用于电力、油 田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、电铁、新能源等行业。 1.滤波器定义 滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是:让有用信 号尽可能无衰减的通过,让无用信号尽可能大的衰减。
LC滤波器性能特点
(2)典型应用
• 在电路和电子高频系统中有较好的选频滤波作用,并能抑制带外无用 信号及噪声 • 在航空、航天、雷达、通信、电子对抗、广播电视及各种电子测试设 备中应用
(3)极限参数
• 最大输入功率:2W • 工作温度范围:-55℃~85℃ • 储存温度范围:-65℃~125℃
LC滤波器性能特点
通过频率 MHZ) DC~0.5 DC~10 DC~50 DC~120 DC~180 DC~230 DC~300 DC~600 3dB截止 频率(MHZ) 0.5 10 50 120 180 230 300 600 过渡频率 带宽(MHZ) <0.2 <2 <10 <20 <36 <45 <50 <100 远端带外 插入损耗 带内波动 驻波比 抑制(dB) (dB) >50 >50 >50 >50 >50 >50 >50 >50 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <1.5:1 <1.5:1 <1.5:1 <1.5:1 <1.5:1 <1.5:1 <1.5:1 <1.5:1 SPC /D8A /D4A /MF 封装 型号
数字信号处理讲义第7章滤波器的设计方法

第7章滤波器的设计方法教学目的1.掌握由连续时间滤波器设计离散时间IIR滤波器的方法,包括冲激响应不变法,双线性变换法等;2.了解常用的窗函数,掌握低通IIR滤波器的频率变换法、用窗函数法设计FIR滤波器的方法;3.掌握FIR滤波器的逼近原理与设计方法。
教学重点与难点重点:本章是本课程的重中之重,滤波器的设计是核心内容之一。
1.连续时间滤波器设计离散时间IIR滤波器的方法,包括冲激响应不变法,双线性变换法等;2.常用的窗函数,掌握低通IIR滤波器的频率变换法、用窗函数法设计FIR滤波器的方法;3.掌握FIR滤波器的逼近原理与设计方法。
难点:1.冲激响应不变法,双线性变换法2.用窗函数法设计FIR滤波器FIR滤波器的逼近原理与设计方法基本概念7.0.1 选频滤波器的分类数字滤波器是数字信号处理的重要基础。
在对信号的过滤、检测与参数的估计等处理中, 数字滤波器是使用最广泛的线性系统。
数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统。
它将输入的数字序列通过特定运算转变为输出的数字序列。
因此,数字滤波器本质上是一台完成特定运算的数字计算机。
我们已经知道,一个输入序列x(n),通过一个单位脉冲响应为h(n)的线性时不变系统后,其输出响应y(n)为∑∞-)(y))()()(n(nn=m*=xmhnhx将上式两边经过傅里叶变换,可得式中,Y (e j ω)、X (e j ω)分别为输出序列和输入序列的频谱函数, H (ejω)是系统的频率响应函数。
可以看出,输入序列的频谱X (e j ω)经过滤波后,变为X (e j ω)H (e j ω)。
如果|H (e j ω)|的值在某些频率上是比较小的,则输入信号中的这些频率分量在输出信号中将被抑制掉。
因此,只要按照输入信号频谱的特点和处理信号的目的,适当选择H (ej ω),使得滤波后的X (e j ω)H (e j ω)符合人们的要求,这就是数字滤波器的滤波原理。
和模拟滤波器一样,线性数字滤波器按照频率响应的通带特性可划分为低通、高通、带通和带阻几种形式。
现代滤波器设计讲座

际
谐1振 m频ii 率F2BW
2
mii
FBW 2
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用什么表示 J 变换器?
K
Zin
ZL
Z0
ZL
Z = K2
l
IN
ZL
在电路中用电长度为 90度,特性阻抗值 为J的理想传输线段 表示J变换器。
第45页/共121页
串联谐振等效电路模型
• 4阶交叉耦合滤波器
• 中心频率:7.5GHz
wi/w0=1.0
i
0
1
mii
FBW 2
2
mii
FBW 2
第16页/共121页
归一化阻抗矩阵
• 归一化阻抗矩阵可以写成下面的形式,
p
[Z
]
0
0 p
0
0
Rs
r1
j 0
0 r2
0 0
m11 m21
m12 m22
m13
m23
0 0 p
0
0
RL
r3
m31
m32
m33
0
RL
rn
mn1
mn2
m1( n 1) m2 ( n 1)
m( n 1)( n 1) mn ( n 1)
m1n
m2n
m(
n1)
n
mnn
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低通原型和带通滤波器之间的变 换
• 低通到带通的频率变换式为:
1 FBW
0
0
• 其中,0 12
FBW 2 1 0
1 , 2
计算结果
• S参数:
第29页/共121页
计算结果
• 群时延
现代滤波器设计讲座(2-2滤波器设计实例)

7阶切比雪夫滤波器的技术数据
n 所有谐振腔的谐振频率都是400MHz n 腔体间的耦合系数和输入/输出腔的有载品质
在对称面上分别设置为完全导电面(PEW)和完全导磁 面(PMW),在HFSS中用本征模求解器,得到的本征频率分 别对应 和 ,耦合系数的模可以用下面的公式计算 。
K为正表示磁耦合; K为负表示电耦合。
耦合系数--电壁/磁壁法
而如果两个谐振器是非对称的,同样也可以采用相同的
方法,将两谐振器从中间劈开,这时每一个谐振器在对
7阶切比雪夫滤波器计算结果
n 7阶切比雪夫滤波器的储能、群时延和S参数
8阶切比雪夫滤波器耦合矩阵
n 输入中心频率;带寛等参数
8阶切比雪夫滤波器计算结果
n 8阶切比雪夫滤波器的储能、群时延和S参数
几种滤波器拓扑结构的比较
6阶切比雪夫 7阶切比雪夫
6阶交叉耦合 8阶切比雪夫
小结
n 根据给定的技术指标,考虑到温度对滤波器特 性的影响。我们初步把滤波器的阶数确定为6 阶交叉耦合或7阶切比雪夫。
n 通过对称面上的磁场 判断电壁/磁壁
n Mode 1 电场偶对称
n Mode 2
电场奇对称
容性膜片耦合
n 通过对称面上的磁场 判断电壁/磁壁
对称面磁场只有法向 分量---磁壁
n Mode 2
对称面磁场只有切向 分量---电壁
耦合系数极性的判定(2)
n 计算公式:
n 电场奇对称 对称面
现代滤波器设计讲座(4-2)

品质因数和体积
主要影响因素:
材料特性,Qf和 ε r ; 电镀、粘接工艺和工作模式Q值。
耦合机构:外部耦合
耦合机构:内部耦合
耦合机构:交叉耦合
关于谐振器类型和工作模式的几点考虑
关于谐振器类型和工作模式的选择主要考虑以 下三个方面:
滤波器的尺寸; Q值; 寄生特性;
目前,圆柱和圆环单模主要使用TE01和TM01 模。它们的Q值高。双模使用HEM11模,相同 频率滤波器的体积可以减少30%。
介质谐振器的主要参数
介质谐振器的谐振频率不仅与介质 材料的形状和介电常数有关,而且 与包围介质谐振器的环境、支撑介 质等有关系。 当我们把介质谐振器作为滤波器的 谐振单元使用时,我们主要关心工 作模式是单模还是简并模、工作模 式的Q值和工作模式与相邻模式的 频率间隔。 介质谐振器用相邻模式谐振频率fr与工作模式谐振频率f0的比值表示 工作模式与相邻模式的频率间隔。 FRmax=fr/f0
圆柱和环形介质谐振器经验设计公式
圆柱介质谐振器
圆柱介质谐振器的基本模式
介质谐振器的空腔半径大 约是介质半径的3倍。介 质谐振器空腔的高度大约 是4倍。
圆柱介质谐振器模式图
h=5mm
圆柱介质谐振器模式图
h=50mm
圆柱介质谐振器模式图
当介质高度h 小于28mm时, 最低模式是 TE01δ。当介质 高度大于28mm 时,最低模式是 HE11δ。 介质高度h 小于28mm时最 低模式是单模 δ。当介质高度 大于28mm时, 最低模式是简并 模。
mode chart
3.5 3
Freq [GHz]
2.5 2 1.5 1 0 10 20
mode1 mode2 mode3
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结论
影响滤波器功率容量的主要因素有:
大气压力; 气体湿度; 气体成分; 腔体结构; 拓扑结构; 激励端口;
提高滤波器的功率容量主要从腔体结构设计; 拓扑结构选择;提高滤波器气密性等入手。 这里提供的计算方法也可以用于其它类型的滤 波器功率容量计算。
1
其中,
ζ=
ζ2
2 EMax
EMax = W ε y, z ) ⋅ f ∗ ( x, y, z )dV
腔体结构固定以后,ζ 是一个常数。它表明电场最大值 的平方与储能具有线性关系。
系统输入功率与腔体储能的关系
滤波器系统输入功率和输出功率之间,可以用下面的关 系式表示。
2 2 ⎡ ⎤ Pin - Pr - Pout = Pin ⎣1 − (S11 + S21 ) ⎦ = P0
τ p − 脉冲宽度
Leff − 有效扩散路径( ≈ 2倍间隙)
击穿场强的计算结果
击穿场强 大约为: Ep=2.26 X106V/m
滤波器拓扑结构对功率容量的影响
对具有相同频响特性的滤波器,采用不同的拓 扑结构滤波器的功率容量不同。
K Z=1/(m35*bwf) P=lamped/4 K Z=1/(m57*bwf) P=lamped/4 + A0
现代滤波器设计讲座(七)
理论基础
电子科技大学 贾宝富 博士
单腔储能与腔体最大场强的关系
在腔体中,电磁场的分布与腔体的结构有关。如果用 函数 f ( x, y, z) 表示腔体中电场的分布。则,
E = EMax ⋅ f ( x, y, z )
其中, EMax 是腔体中电场最大点的电场幅值。 f ( x, y, z ) 是腔体中电场的分布函数,它的模最 大值为1。即,
Test Value(with condition)
1200 W Normal temperature and 0.54 atmospheric pres sure 950 W Normal temperature and 0.4 atmospheric pressu re
输入端口不同滤波器功率容量不 同
建立最大储能状态下腔体电场与输入功率之间的联 系;
EMax = ζ ⋅ η ⋅ Pin
令,
EMax = EP
则此时的输入功率就是滤波器的最大功率容 量 PMax ; 2
1 ⎛ EP ⎞ PMax = ⎜ ⎟ η⎝ ζ ⎠
滤波器结构
单个腔体的场分布
计算单腔比例系数
ζ1
EMax ζ1 = = 9.3889 × 108 Wav
在直流状态,1mm距离的耐压是1万伏。 可以算出Ep=107V/m。可以估算出,该滤波器 的功率容量大约为4000W。在高频状态,如果 按1/4计算,该滤波器的承受功率也应该在1000 W左右。 关于Ep的计算,有一些近似计算公式。但其准 确性还需要作进一步的实验研究。
击穿场强的近似计算公式
p − 大气压强
E E=90deg F=F Z=G45
E E=90deg F=F Z=G56
E E=90deg F=F Z=G6L
Port2
V
V
V
V_2
V_3
V_4
V
R=Qu L=L1 C=C1 +
R=Qu L=L1 C=C1
R=Qu L=L1 C=C1
R=Qu L=L1 C=C1
V_5
+
+
+
R=Qu L=L1 C=C1
影响滤波器功率容量的因素
滤波器的极限功率容量主要受空气击穿现象限 制。产生放电现象又要受空气击穿场强、腔体 结构、腔体Q值、滤波器拓扑结构和滤波器相 对带宽等因素影响。 工作环境决定击穿场强; 腔体结构决定腔体中最大场强值和腔体Q值; 滤波器拓扑结构决定额定输入功率状态下,各 腔体的能量分布。
影响空气隙击穿特性的因素
K
K + A2
K + A3
K + A4 R=3 00 0
K + v5 A5 A6
v6
K +
v8
V V
K + A7 +
K + A8
A
Z=1/(m12*bwf) P=lamped/4
A
Z=1/(m23*bwf) P=lamped/4
A
Z=1/(m34*bwf) P=lamped/4
A
Z=1/(m45*bwf) P=lamped/4 C=C4
建立滤波器拓扑结构
S L
1
2
3
4
5
6
f0 = 400MHz; f = 15MHz
滤波器的等效电路
E E=90deg F=F Z=G25
Port1
E E=90deg F=F Z=G01
E E=90deg F=F Z=G12
E E=90deg F=F Z=G23
E E=90deg F=F Z=G34
P0 = ∑ωi
i =1
Qi
= WMax ∑
i =1
Qi WMax
n
最后,可以确定。
Pin ⎡1 − (S + S ) ⎤ = WMax ∑ ⎣ ⎦ i =1 Qi WMax
2 11 2 21
ωi Wi
2 2 WMax 1 − ( S11 + S 21 ) η= = n ωi Wi Pin ∑Q W i =1 i Max
计算功率容量的步骤(一)
建立滤波器单个谐振腔的模型;
根据电场强度的分布确定最可能产生击穿的位 置; 计算该位置的场强(注意:场强的幅值与相位有 关,应计算最大场强)EMax ; 计算谐振腔的平均储能 Wav ; 计算击穿位置平均场强与谐振腔平均储能之间的 比例系数;
EMax = ζ Wav
EMax ζ= Wav
对于相同的拓扑结构, 从不同端口激励时,滤 波器呈现的功率容量不 同。
型号 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 E 1.01E+09 5.69E+08 7.68E+08 7.81E+08 1.49E+09 1.47E+09 5.46E+08 n 3.16E-08 3.06E-07 5.50E-08 5.80E-08 6.50E-08 6.60E-08 1.90E-07 n2 2.50E-08 2.00E-07 5.50E-08 6.20E-08 4.10E-08 4.50E-08 3.20E-07 Ep 1.00E+07 1.00E+07 1.00E+07 1.00E+07 1.00E+07 1.00E+07 1.00E+07 Pin 3.11E+03 1.01E+03 3.08E+03 2.83E+03 6.95E+02 7.06E+02 1.77E+03 pin2 3.93E+03 1.55E+03 3.08E+03 2.64E+03 1.10E+03 1.04E+03 1.05E+03
A
Z=1/(m45*bwf) P=lamped/4 C=C4
A
Z=1/(m56*bwf) P=lamped/4
A
Z=1/(m67*bwf) P=lamped/4
A
Z=1/(m78*bwf) P=lamped/4
A
Z=Sqrt(Qe) P=lamped/4
V
+
R=Q u L =L 1 C=C1 +
R=Q u L =L 2 C=C2
0
R=Qu L=L1 C=C1
V
V_1
V
+
V_6
+
滤波器滤波特性
腔体的储能
激励功率1W
1腔的储能
激励功率1W
2腔的储能
激励功率1W
3腔的储能
激励功率1W
4腔的储能
激励功率1W
5腔的储能
激励功率1W
6腔的储能
激励功率1W
计算系数 η1 和承受功率
WCMax η1 = = 7 ×10-8 Pin
R=Qu L v7=L 6 C=C6
+
L+ 4 =L
V
V
V
V
V
V
+
+
+
v1
v2
v3
v4
+
(b) Two 8 order filters (a) with 3-5, 3-7 cross couple; (b) with 2-4, 5-7 cross couple
v6
v8
V
滤波器频率响应和能量分布
Predict Val ue Filter A Filter B 1110 W 1250 W
现代滤波器设计讲座(七)
腔体滤波器功率容量计算方法研究
电子科技大学 贾宝富 博士
序言
滤波器的功率容量一直是滤波器设计者关注的 问题。在手机通讯领域,为了扩大基站的覆盖 范围,基站设计者希望提高基站的发射功率。 但是,提高发射功率就直接面对滤波器的功率 容量问题。如何计算滤波器的功率容量?滤波 器的功率容量受哪些因素影响?这些都是滤波 器设计者所关注的问题。
空气的击穿场强Ep又受多方面因素的影响: 1、大气的压强 p ; 2、有效的扩散路径长度 Leff ; 3、电场脉冲的宽度 τ p ; 4、空气湿度; 5、水蒸气中盐分的含量; 6、气体成分等等。
谐振器场强、储能和击穿现象
在谐振器中某一点电场强度的平方与储存在腔体中 能量成正比。比例系数不随腔体中储能大小变化。 谐振器中的电场是不均匀的。击穿现象是从腔体中 电场强度超过击穿场强的某一点开始,空气电离以 后成为等离子体。出现等离子体将破坏原来的场结 构,使击穿点附近的电场更强。因此,击穿现象在 击穿点附近迅速扩散。直到击穿产生的等离子体把 击穿点与外壳导通,击穿现象结束。 未击穿前,电场强度的分布与激励功率无关(即: 激励功率的大小不改变场分布)。