现代滤波器设计讲座(16)
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讲解滤波器原理滤波器原理+种类
讲解滤波器原理滤波器原理+种类滤波器原理存在一定难度，不同滤波器原理往往存在一定区别，但滤波器原理并非无法掌握。
本文中，将为大家详细讲解滤波器原理，并介绍滤波器分类。
基于类别，大家可更好理解滤波器原理。
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，而极大地衰减其他频率成分。
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。
换句话说，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。
滤波的概念滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。
一般来说，滤波分为经典滤波和现代滤波。
经典滤波是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念，根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。
换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。
只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。
在经典滤波和现代滤波中，滤波器模型其实是一样的(硬件方面的滤波器其实进展并不大)，但现代滤波还加入了数字滤波的很多概念。
滤波电路的原理当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感应电动势将阻止电流的变化。
当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中;当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。
因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。
在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。
只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。
最新滤波器的设计专业知识讲座
1. 切比雪夫多项式
第N阶切比雪夫多项式是用TN(x)表示 的N次多项式。前4阶切比雪夫多项式是
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2. 通带和阻带
ω<ωc是低通滤波器的通带；ω>ωc是 低通滤波器的阻带;ω=ωc是通带和阻带的 分界点。
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3. 低通滤波器原型变换为带通和 带阻滤波器
低通滤波器原型也能变换到带通和带 阻滤波器响应的情形。
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7.1
滤波器的类型
7.2 用插入损耗法设计低通滤波器原型
7.3
滤波器的变换
7.4
短截线滤波器的实现
7.5
阶梯阻抗低通滤波器
7.6
耦合微带线滤波器
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图7.3 低通巴特沃斯滤波器衰减随频率变化的对应关系
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2. 低通滤波器原型
对于低通滤波器，最平坦响应的数学 表示式为
第N阶切比雪夫多项式是用TN(x)表示 的N次多项式。前4阶切比雪夫多项式是
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2. 通带和阻带
ω<ωc是低通滤波器的通带；ω>ωc是 低通滤波器的阻带;ω=ωc是通带和阻带的 分界点。
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3. 低通滤波器原型变换为带通和 带阻滤波器
低通滤波器原型也能变换到带通和带 阻滤波器响应的情形。
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7.1
滤波器的类型
7.2 用插入损耗法设计低通滤波器原型
7.3
滤波器的变换
7.4
短截线滤波器的实现
7.5
阶梯阻抗低通滤波器
7.6
耦合微带线滤波器
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图7.3 低通巴特沃斯滤波器衰减随频率变化的对应关系
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2. 低通滤波器原型
对于低通滤波器，最平坦响应的数学 表示式为
现代滤波器设计讲座8
接收通道谐振腔体的温度补偿
接收通道的功率 小，谐振腔允许 存在较小的间 隙； 为了降低成本， 谐振柱取消使用 不同种金属材 料；
接收通道谐振腔体温度补偿的方法
增加调谐螺钉 的敏感度； 减少谐振腔上 表面的敏感 度； 使用低温度系 数材料做螺 钉。
谐振杆上部使用材料和长度与谐 振频率的关系
铝腔体；调谐螺钉使用殷钢。△T=50℃
不锈钢的温度特性
不锈钢的温度系数可以有很明显 的变化； 300系列不锈钢的温度系数在1419 ppm/C°，400系列不锈钢的 温度系数在10-12 ppm/C°。 使用不锈钢材料一定要了解材料 的型号，不同型号不锈钢材料的 温度系数差别可以达到100%。
梳状谐振器和滤波器的温度补偿
梳状谐振器和滤波器可以工作在很宽的频率范 围，从400MHz一直到10GHz。 温度特性主要地由构成谐振器的材料确定，
测试的温漂
PCS波段：1930-1990MHz； 工作温度范围：-10~65℃； 频率漂移：<60KHz或<1PPM/℃。
总结
在腔体滤波器的温度特性和温度补偿中材料特性扮演 了重要角色； 利用材料特性，梳状和介质谐振器及滤波器能够获得 有效的温度补偿； 在设计、制作和实验中都需要准确地了解材料特性； 类似的设计原理也可以用于其它类型谐振器和滤波 器； 滤波器设计中更推崇使用低成本材料和简单的结构设 计。
f0 f0 f0 f0
螺钉
T
谐振器的温度补偿
关键尺寸 补偿目标
谐振器的温度补偿
补偿方法
调谐螺钉使用低温度系 数材料 ； 谐振杆全部或部分使用 与腔体不同种类的材 料 。 调谐螺钉用料少，可以 考虑价格高一点的材 料。 谐振杆需要考虑使用低 成本材料。
滤波器技术讲座系列
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
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
现代滤波器设计讲座(2_1广义切比雪夫滤波器的电路仿真)
jJ12
G2
j(
2
2 )
jJ23
jJ13
jJ23
v1 v2
is
0
GL G3
j(
3
3
)
v3
0
或
[Y ][v] [i]
p
[Y
]
0
0 p
0
0
Gs j 0
g1
0 g2
0 0
t11 t21
t12 t22
t13
t23
0 0 p
0
0
GL
g3
t31
+A
I_4 R=1/Qu L=L4 C=C4
E
0
Z=m01*Sqrt(bw f)
E=90deg
F=F
E
Z=m12*bw f E=90deg F=F
E
Z=m23*bw f E=90deg F=F
E
Z=m34*bw f E=90deg F=F
E
Z=m01*Sqrt(bw f)
0
E=90deg
F=F
计算结果
L
m( n 1)( n 1) mn ( n 1)
m1n
m2n
L
m(
n 1) n
mnn
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：
其中，
0
1 FBW
0
0
12
FBW 2 1 0
1,2 分别为上下边带频率；0为通带中心频率；FBW
为分数带寛。 是归一化频率。
1; 1
{p[I ] j[R] [M ]}[i] j [e] FBW
RS
r1
现代滤波器设计讲座
际
谐1振 m频ii 率F2BW
2
mii
FBW 2
第44页/共121页
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
第18页/共121页
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)
n 与交叉耦合滤波器相比，切比雪夫滤波器结构 简单，工程上容易实现。如果滤波器体积和造 价允许，我们将首选7阶切比雪夫。因此，综 合考虑温度对滤波器特性的影响和拓扑机构三 维实现的方便程度后，我们确定滤波器的拓扑 结构为7阶切比雪夫滤波器。
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
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(6)
短路枝节滤波器设计实例（续2）
滤波器版图
滤波器仿真结果
A Novel Ultra-Wideband (UWB) Bandpass Filter(BPF) With Pairs of Transmission Zeroes
IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 17, NO. 2, FEBRUARY 2007 p.121
现代滤波器设计讲座（六）
超宽带滤波器
电子科技大学 贾宝富 博士
超宽带的定义
• 超宽带 UWB （Ultra Wide Band）
超宽带滤波器的基本类型
超宽带滤波器的种类比较多。 很多种滤波器结构都可以用来 制作超宽带滤波器。但目前比 较多的都是采用微带、耦合微 带、耦合带线和共面波导构造 超宽带滤波器。常见的类型有 λg / 4 短路并联枝节线型 λg / 2 开路并联枝节线型 耦合线型 其他类型
λg0 / 2
开路枝节线型滤波器设计
λg0 / 2 开路枝节线型滤
波器的设计过程分成两 步 先设计一个 λg0 / 4 短路 枝节线滤波器，然后把 短路枝节用终端开路特 性导纳分别为 Y ia 和 Yib 的两截 λg0 / 4 传输线取 代。传输线总长为：
liaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ+lib = λg0 /2
开路枝节线型滤波器设计（续）
Ultra-Wideband (UWB) Bandpass Filter With Embedded Band Notch Structures
Ultra-Wideband (UWB) Bandpass Filter With Embedded Band Notch Structures
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设计实例
交叉耦合滤波器பைடு நூலகம்合
逼近函数
寻找最佳的传输和反射曲线； 描述滤波器特性需要两个多项式；
交叉耦合滤波器综合
多项式P(s)包含传输零点； 多项式F(s)包含反射零点； 逼近设计参数就是寻找最佳的传输零点； 对于简单的带通滤波器F(s) 多项式可以直接从滤波器的 传输零点和阶数求出。
交叉耦合滤波器综合
交叉耦合滤波器综合
Synthesis– Matrix Transformations
Transform transversal coupling matrix to desired filter topology Cascade tuplets for optimal tunable result N-tuplet contain N-2 transmission zeros
m12 m11 m m 21 22 L [M ] L m( n 1)1 m( n 1)2 mn1 mn 2 L L L L L m1( n 1) m2( n 1) L m( n 1)( n 1) mn ( n 1) m1n m2 n L m( n 1) n mnn
交叉耦合滤波器综合
设计流程
Filter Specification Solving approximation problem Synthesis of the transversal coupling matrix Topology transformation to get the optimal coupling structure Evalution of mechanical dimensions out of coupling bandwidths Filter simulation with field simulation tool such as CST
CoupleFil简介
CoupleFil 的优点:
快速设计滤波器； 与直接耦合滤波器比较，改善了滤波器插入损耗； 由于有传输零点，滤波器频率曲线更加陡峭； 列出了所有可能的拓扑结构； 以图形方式显示三腔层叠、四腔层叠和其它可能的 拓扑结构； 适当调谐结果； 较小的机械尺寸；
Synthesis
Construct admittance matrix out of F- and Ppolynomials from approximation Get elements for transversal coupling matrix out of admittance coefficients
现代滤波器设计讲座（十六）
交叉耦合设计软件 -CoupleFil 1.23
电子科技大学 贾宝富 博士
CoupleFil简介
软件CoupleFil是一个利用交叉耦合理论设计单 一或多通带窄带滤波器的工具。 CoupleFil 的用途:
设计单一或多通带窄带滤波器； 发现传输和反射曲线的最佳解； 计算耦合系数、中心频率和耦合带宽； 在所有可能的拓扑结构中选择最佳的拓扑结构；