微波滤波器知识讲座PPT课件
第8章 微波滤波器
进，低温超导的应用和滤波器电路中使用有源器件，使得微
波滤波器的设计至今仍是一个活跃的研究领域。
Microwave Technique
Microwave Technique
Microwave Technique
Microwave Technique
本章结构： 电抗性周期加载传输线或波导
用于慢波器件和行波放大器中
[1 (1 m2 )( (
c
)2 1 0
c
) 2 ]2 0
是虚数，通带
截止频率 ωc
当
即
Microwave Technique
[1 (1 m )( ) 2 ]2 0 c 1 (1 m2 )( ) 2 0 c c
2
c
)2 1 0
1. 最平坦：二项式或巴特沃兹响应 变量为ω ，衰减随ω单调增加 前2N-1阶导数在ω =0时都为0
N为滤波器阶数，
Microwave Technique
c 为截止频率。通带ω=0 → ω = ωc
2N PLR 1 k ( ) c
2
①当 0 c时，
PLR 1 k 2 (
4级复合滤波器
Microwave Technique
例题8.2 低通复合滤波器设计
Microwave Technique
8.3
用插入损耗法设计滤波器
镜像参量法可以给出可用的滤波器响应，但若不能满足要求也 没有明确的途径来改进设计。 插入损耗法可以高度控制整个通带和阻带内的振幅和相位特性
权衡函数形式 例如： 迎合应用要求
将定k式，m导出式锐截止和m导出式匹配节级联组合。 ① m<0.6 的锐截止节 作用：在靠近截止频率处安放一个衰减极点，可提供陡峭 的衰减响应 ② 定k式节
微波滤波器(讲稿)
第七章 微波滤波器§7-1 概 述微波滤波器的分类：1．微波滤波器按其特性不同可分为:低通、高通、带通和带阻滤波器。
2．按结构不同又可分为:同轴线滤波器、波导滤波器和微带、带状线滤波器。
微波滤波器中所研究的问题：1．分析问题：已知滤波器的结构和元件值计算它的插入衰减频率特性；2． 综合问题：由给定的滤波器插入衰减频率特性来确定滤波器的网络结构和元件值。
§7-2 微波滤波器的基本知识一、滤波器一般知识V Z Lω(b) 低通R LR s V s(c) 高通R LR s V s(a)全通R R s V sR s V sR L按照衰减特性的不同,低频滤波器可分为:低通、高通、带通和带阻滤波器五大类。
衰减：输入功率P i 与负载所吸收功率P L 之比。
通常用A 或A （ω）表示，即：L i P P A = （7.1） 若用dB 表示，则可写成)log(10log 10L i P P A L ==（dB ） （7.2）二、微波滤波器的主要技术指标衡量微波滤波器性能的主要技术指标有: 1. 截止频率ωC 。
2. 通带内允许的最大衰减L p 。
3．阻带内最小衰减L S 及其相应的阻带边频ωS 。
4. 寄生通带,即阻带内出现的不希望有的通带。
ω(a) 低通 (b) 高通(c) 带通(d) 带阻ωL L S CL L L L L L三、微波滤波器的综合设计(一)低通滤波器的三种典型衰减特性理想的滤波特性,用有限个元件的电抗网络是不可能实现的。
实际滤波器的衰减特性,只能是逼近理想滤波器的衰减特性。
逼近函数的种类很多,实际中用得最多的只有三种,其相应的滤波器分别称为最平坦式滤波器、切比雪夫式滤波器和椭圆函数式滤波器。
(二)低通原型滤波器1．低通原型滤波器及其衰减特性 定义：低通原型滤波器就是指以归一化频率ω′＝ω／ωc为自变量的衰减特性L (ω′)为基础综合出来的低通滤波器。
2. 最平坦式低通原型滤波器的综合设计步骤(1)由要求的L P 、L S 和ωC ′=1, ωS ′=ωS /ωC 求k和n 。
MPF微波光子学滤波器详解 PPT课件
可调谐性
负系数
高Q值
从技术层面上考虑，微波光子学滤波器主要需要关注 的是其可调谐性、负系数与高Q 值的实现这三个方面。可 调谐保证了其灵活性，负系数则是为了实现高通和带通滤 波器，而 Q 值是体现微波光子学滤波器频率选择性的一 项重要指标。
前言 第1章 MPF的分类和性能指标
第2章 高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析
直接在光域处理，再转换为电信号后下变频
MPF VS 传统射频滤波器
在传统射频电路中，由射频信号源或天线接收得到射频信号，注入到信 号处理的射频电路，即经下变频到基带信号后通过模数换分辨率 要求很高。该方法所实现的滤波器的最大弊端在于所设计的信号处理电路只 能实现特定频段微波信号的滤波功能,一旦微波信号的频率发生变化,就必须重 新设计新的信号处理电路。同时,在电域内处理信号时,带宽和采样频率将会受 限,且高频电路容易引起电磁干扰,增大损耗。
负系数滤波器的实现
非相干的MPF在探测器端是信号功率的叠加，一般只能实现正的加权系 数，这样滤波器的波形局限在低通，为了实现高通和带通的滤波器，需要 引入负系数。
为了得到负的加权系数，可以利用反相位调制。
基于 SOA 交叉增益调制效应实现负系数的方案
如图，利用了SOA的交叉增益调制效应来实现一个2路的FIR负系数 滤波器，可调谐激光器输出波长为λ1 ，DFB激光器输出波长为λ2 ，由 于SOA的交叉增益调制效应，下路信号光λ1上携带的微波信号转移到 探测光载波λ2上，且与λ1上的信号相位相反。载波λ1上的信号获得正 的加权系数，载波λ2上的信号获得负的加权系数，它们可以由激光器 的输出功率来调节。
高阶滤波器的实现
一般讨论的IIR滤波器都有唯一的单极点，即为一阶滤波器。一阶IIR滤 波器受到传递函数的限制，在实验中很难得到很高的Q值和滤波抑制比。
2024版MPF微波光子学滤波器详解PPT课件
01微波光子学滤波器概述Chapter微波光子学基本概念微波光子学定义01微波光子学应用领域02微波光子学技术031 2 3滤波器定义滤波器在微波系统中的作用滤波器性能指标滤波器在微波系统中的作用MPF技术原理及特点MPF 技术原理MPF技术特点MPF实现方式02 MPFChapter常见MPF结构类型光纤光栅型MPF利用光纤光栅的周期性折射率调制实现滤波功能，具有插入损耗低、带宽可调等优点。
环形谐振腔型MPF通过环形谐振腔的选频作用实现微波信号滤波，具有高Q值、窄带宽等特点。
Mach-Zehnder干涉仪型MPF基于Mach-Zehnder干涉原理，通过调节干涉臂长度实现滤波功能，具有灵活性高、可调谐范围大等优势。
工作原理及性能参数工作原理性能参数优缺点分析优点缺点03 MPFChapter设计方法论述基于传输线理论的设计方法时域有限差分法（FDTD）耦合模理论光电器件性能限制光电器件的带宽、损耗、噪声等性能会直接影响MPF的性能。
解决方案包括采用高性能的光电器件、优化器件结构和工艺等。
温度稳定性问题MPF的性能会随温度的变化而发生变化，影响滤波器的稳定性。
解决方案包括采用温度补偿技术、选择温度稳定性好的材料等。
偏振相关问题MPF对输入光的偏振状态敏感，不同偏振态下滤波器的性能会有所不同。
解决方案包括采用偏振不敏感的光电器件、设计偏振控制器等。
关键技术挑战及解决方案窄带MPF设计案例介绍了一个窄带MPF的设计过程，包括滤波器结构的选择、参数的优化、仿真结果的验证等。
该案例展示了如何根据实际需求设计出满足性能指标的MPF。
介绍了一个宽带MPF在无线通信系统中的应用，包括滤波器的性能指标、应用场景、实际效果等。
该案例展示了MPF在实际应用中的优势和潜力。
介绍了一个具有多种功能的MPF的设计和实现过程，包括多通带滤波、可调谐滤波等功能的实现方法和效果展示。
该案例展示了MPF设计的灵活性和多样性。
宽带MPF应用案例多功能MPF设计案例典型案例分析04 MPFChapter通信系统架构简介发射端包括信源编码、信道编码、调制等模块，用于将信息转换为适合传输的信号。
(整理)微波滤波器讲稿
0102微波滤波器是一种在微波频段内选择性地传输或抑制特定频率信号的器件。
利用不同频率信号在传输线上的传播常数不同，实现频率选择性的传输或反射。
定义基本原理定义与基本原理早期采用集总元件（如电感、电容）实现，体积大、性能差。
中期随着微带线、波导等传输线技术的发展，滤波器逐渐小型化、高性能化。
•近期：基于新材料、新工艺的滤波器不断涌现，如高温超导滤波器、光子晶体滤波器等。
现状多种技术并存，各有优缺点，适用于不同应用场景。
随着5G、6G等通信技术的发展，对滤波器性能的要求不断提高，推动滤波器技术不断创新。
移动通信基站、终端设备等。
卫星通信地面站、卫星载荷等。
雷达系统收发组件、信号处理等。
电子对抗侦察、干扰等。
适应移动设备、可穿戴设备等应用场景的需求。
小型化、轻量化低插损、高带外抑制等，提高系统整体性能。
高性能适应多模多频、宽带通信等应用场景的需求。
多频带、宽频带满足大规模生产、商业应用的需求。
高可靠性、低成本允许低频信号通过，对高频信号具有较大的衰减作用。
低通滤波器允许某一频带内的信号通过，对该频带以外的信号具有较大的衰减作用。
带通滤波器允许高频信号通过，对低频信号具有较大的衰减作用。
高通滤波器阻止某一频带内的信号通过，对该频带以外的信号影响较小。
带阻滤波器01集中参数滤波器由集总元件（如电阻、电容、电感）构成，适用于低频段。
02分布参数滤波器由分布参数元件（如传输线、波导）构成，适用于高频段。
03混合式滤波器结合集中参数和分布参数元件，实现宽频带、高性能的滤波特性。
03采用同轴线作为传输线，具有低损耗、高功率容量等优点，但体积较大。
同轴线滤波器采用微带线作为传输线，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，但插入损耗较大。
微带线滤波器采用波导作为传输线，具有高Q 值、低插损等优点，但体积较大且不易于集成。
波导滤波器按传输线类型分类插入损耗不同类型滤波器的插入损耗不同，一般来说，微带线滤波器的插入损耗较大，而同轴线滤波器和波导滤波器的插入损耗较小。
微波技术第八章ppt课件
T形网络的镜像阻抗与定k式相同，仍然不为常数。Π形 等效网络的镜像阻抗与m有关，可以用于设计最佳匹配 节。
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
第8章 微波滤波器 Π 形网络m导出式的镜像阻抗
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第8章 微波滤波器
8.1 周期结构
➢周期结构：无限长的使用电抗元件周期加载的传输线 或波导结构。
特点：慢波 结构，具有 通带和阻带 特性。
用途：用于 行波管，天 线和移相器 中。
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第8章 微波滤波器 对于第n个单元：
式中： 以上二端口网络满足：
互易网络
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设计图表
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第8章 微波滤波器
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第8章 微波滤波器 对于＋z方向传输的波
考虑第n个单元
这是无限长的情况
非零解要求：
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《微波滤波器的设计》课件
提高信号传输安全性：防止信号被非法窃取或干扰，提高信号传输 安全性
微波滤波器的分类
按照频率范围分类：低频滤波器、中频滤波器、高频滤波器 按照结构分类：腔体滤波器、波导滤波器、微带滤波器、介质滤波器 按照功能分类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 按照应用分类：通信滤波器、雷达滤波器、电子对抗滤波器、医疗滤波器
传输线参数：包 括阻抗、相位常 数、衰减常数等
传输线匹配：实 现信号的无反射 传输，提高传输 效率
滤波器技术参数
插入损耗：滤波器对信号的 衰减程度
带宽：滤波器允许通过的频 率范围
频率范围：滤波器能够工作 的频率范围
阻抗匹配：滤波器与信号源 和负载的阻抗匹配程度
滤波器类型：低通、高通、 带通、带阻等
滤波器结构：LC滤波器、 陶瓷滤波器、声波滤波器等
滤波器设计流程
确定滤波器类型：低通、高通、带通、带阻等 确定滤波器参数：中心频率、带宽、阻带衰减等 设计滤波器结构：如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数等 仿真验证：使用仿真软件进行滤波器性能验证 制作实物：根据设计结果制作实物滤波器 测试性能：对实物滤波器进行性能测试，确保满足设计要求
添加标题
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优点：简单易行，适用于各种微 波滤波器
应用：广泛应用于微波滤波器的 设计和优化中
传输线法
传输线法是一种常用的微波滤波器设计方法 传输线法通过分析传输线上的电压、电流和阻抗，来设计滤波器 传输线法可以设计出各种类型的滤波器，如低通、高通、带通等 传输线法设计滤波器的优点是简单、直观，易于理解和实现
微波滤波器的应用场景
通信系统：用于接收和发射信 号，提高信号质量
微波滤波器基础知识
第二十页，课件共有55页
带通滤波器技术指标
• 功率容量
滤波器能承受的最大信号通过功率，滤波器的脉冲功率容量 由其中强电场对介质的击穿来确定，这与滤波器的结构和介 质强度有关。通常同轴线和带状线结构的功率容量至少要比 矩形波导小6、7倍，而矩形波导又比圆波导小4倍左右.
中国联通GSM900 上行：909MHz-915MHz；下行：954MHz-960MHz。 GSM1800（DCS）
上行：1710MHz-1785MHz 下行：1805MHz-1880MHz
第四十二页，课件共有55页
现有移动通信系统主要使用频段
2. CDMA (Code-Division Multiple Access)码分多
带外抑制这个概念实际上还是属于损耗的范畴，只是我们现在所说 指的是在通带外，信号的衰减已经被抑制得比较充分，这个具体的 损耗值就是带外抑制的值。
第十四页，课件共有55页
带通滤波器技术指标
• 端口驻波比
端口驻波是衡量滤波器性能的一个关键指标，反应滤波器件 与系统中其它部件的匹配程度。
当系统不匹配时, 馈线上同时存在入射波Ei和反射波Er。在入射 波和反射波相位相同的地方，入射波电压与反射波电压的幅度相 加形成一个最大电压振幅Emax，称为波腹；而在入射波和反射 波相位相反的地方电压幅度相减形成一个最小电压振幅Emin， 称为波节。
第二十三页，课件共有55页
同轴谐振腔滤波器
其结构排列比较灵活，适合于100MHz－40GHz频段带通滤波 器的设计，在当今移动通信频段领域使用最多的当是同轴腔 。
它的基本原理是根据四分之一开路线和二分之一短路线所 等效的LCR谐振电路。在实际的产品研发和生产中，我们使 用了改进的双同轴UIR(均匀阻抗匹配)四分之一波长谐振结 构。
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矩形波导谐振腔——谐振频率（续一）
或:
l =pp/bmn=pplmn/(2p)plmn/2
腔体长度为半 波长整数倍
由此可以解得：
m2 n 2 p 2
km n
a
b
l
7.4 4
类似矩形波导，谐振腔也会有无穷多种模
balE02 ( 1 16 ZT2E
2
) 2a2k2
电场和磁场的储能
由于ZTE＝kh/b; bb10=[k2-(pa)2]1/2于是有：
1 ZT 2E
2
2a2k2
2 2/a2 1
10
2k2＋反射波场 3.1结果：腔TE或TH模的横向电场(Ex,Ey): E(x,y,z)=Eot(x,y)[A+e-jbmnz+ A－ejbmnz] (7.4-1）
横向场
入反射波振幅
传播常数：
mn
k2 m 2 n 2 ab
k2=2
将z=0处的边界条件Et=0带入7.4-1有:A+=－A-; 在由z=l处的边界条件Et=0带入可得：
7.4金属波导谐振腔
组成：两端短路的金属波导段 形状：矩形、圆形波导谐振腔 分析方法：驻波法求场型
分析特性。
1. 矩形波导谐振腔(rectangular waveguide cavity) 组成：长度为l两端短路的矩形波导 能量：E和H能量储 存在腔体内，功率损耗由腔体的 金属壁与 腔内填充的介质引起。 连接：可用小孔、 探针或环与外电路耦合 讨论：无耗谐振频率微扰方法求Q值。
式TEMNP和TMMNP模式，下标mnp分别表示 沿a、b、l方向的半驻波数。对应也可写出
频率表示：
矩形波导谐振腔——谐振频率（续二）
fmnp
vp
mnp
c kmnp rr 2
c
m2 n2 p2
2 rr
a
b
l
谐振腔的波长最长的模式称为谐振器主模
(dominant resonat mode) 一般而言矩形腔 l>a>b 主模为TE101
结论：
螺线同轴线重的模式不是TEM模。螺 线的电场主要集中在内外导体之间方 向为轴向。开路端电场最强（高电位） 磁力线为闭合曲线，主要为Z向可见在 壁上有强的f向电流。开路端磁场为零， 短路端磁场最强。
螺旋谐振器分析——电磁场分布
圆形螺旋线谐振器
正方形螺旋线谐振器
d：0.55D
d=2S/3
b：1.5d
Er1
j b1 kc1
J1(kc1r)
,
Hr1
Bjb1 kc1
J1(kc1r)
E1 Bjkc1 J1(kc1r) ,
H1
j1 kc1
J1(kc1r)
Ez1 J0(kc1r)
, Hz1 BJ0(kc1r)
螺线和外导体之间（d/2<r<D/2）7.3-15 的场解。（较复杂，含第一第二类贝塞尔函 数）
b=S
Q：1.96D(f0)1/2
Qo=2.36S(f0)1/2
总匝数 N：48300/Dfo(匝) N=40600/Sfo(匝)
螺旋线特性阻抗
Zo＝(2.49× 106)／Dfo(W) Z0=(2.03× 106)/Sfo(W)
H＝b＋0.5D=b+0.92d
H =1.6S=b+0.92d
实际设计例子参见书例7.3-3;可见螺旋同轴 线的器件尺寸可以减少18倍
2rd /2 z 1rd /2 z 2rd /2
• 螺线导体表面磁场切向分量连续（r＝d/2)
H c o s 1
H z 1 s i nH 2 c o s
H z 2 s i n
• 外导体切向电场为零（r＝D/2)
E 2r D /2
0; Ez2r D /2
0
螺旋谐振器分析——电磁场分布
由此可以解得:
在螺旋线内部（r<d/2）的场解：7.3-14
螺旋谐振器
上述结果适用于:
同轴线谐振器、带状线谐振器、微带线谐振 器。螺旋线谐振器(helixrs— onator)是同 轴线谐振器的变型，常用于1GHz以下频 率设计。
• 在V和U波段(4~6mm): 同轴线谐振器显得 尺寸相对太大，（长度太长） 可将其内 导体做成螺旋线螺旋线谐振器
螺旋谐振器（续一）
组成：一段四分之一波长的内导体为螺旋线 的螺旋同轴传输线
连接：一端短路 (螺旋线直接与屏蔽外导体 焊接)，另一端开路
外形：螺旋线内导体的截面形状为圆形， 屏蔽外导体截面为圆形或正方形。
螺旋谐振器（续二）
输入/输出：一般通过线圈上的抽头完成
（对于50Q负载，抽头距焊接端约 1／8～1／4匝）
也可用位于线圈焊接端附近的电 感性环来实现，谐振器之间可以 通过孔或开路端的窗口来提供耦 合。
程：
1 (r ) 1 rr r r
kc2
Ez Hz
0
其余场分量可由横纵关系求得（kc2=k2+b2）
电磁场可由边界条件定解。
螺旋谐振器分析——电磁场分布 • 螺线导体表面切向方向电场为零（r＝d/2)
Ecos 1
E z1sin
0
• 螺线导体表面内外切向电场分量连续（r＝d/2)
E E ;E E 1rd /2
螺旋谐振器（三）
优点：螺旋线谐振器在V和U波段具有 体积小、重量轻、Q值高(无载Q值一般2 000左右) 设计制作简单
用途：带通和带阻滤波器、线性相移滤波器、 多工器、倍频器等。
螺旋谐振器分析——电磁场分布
螺旋线谐振器中的场分量可用螺旋同轴
线的场叠加得到。采用圆柱坐标系
(r,q,z），则纵向场分量满足如下波动方
磁场储能：
Wh
4
(HxEx*
V
HzEz*)dV
2
E b 0 dx dz 2
4ZTE
a1 cos(2ax)
0
2
l 1 cos(2pl x)
0
2
22
E b 0 4k a dx dz 2 2 2
a1 cos(2ax)
0
2
l 1 cos(2pl x)
0
2
E02 bal 2E02 bl 16ZT2E 16k2 2a
实用的矩形腔模TE10P的性质
TE10p的Q值： 由场解表示：A＋＝－A－可写出场量：
x pz E y E 0 sin a sin l
Hy
jE 0 sin x cos p z
Z TE
a
l
Hz
j E0 cos x cos p z
ka a
l
由此可以解出电场磁场的储能:
电场和磁场的储能
电场储能：
W e 4V E y E y * E 0 2 4 b0 a 1 c o s 2 ( 2 a x )d x0 l1 c o s 2 ( 2 p lx )d zE 0 2 1 a 6 b l