第6章 射频滤波器的设计(吉大通信)
无线通信中的射频滤波器技术研究
无线通信中的射频滤波器技术研究随着移动通信技术的发展，人们对通信质量的要求也越来越高。
射频滤波器作为无线通信中的重要组成部分，对于保证通信质量起着至关重要的作用。
射频滤波器主要用于对无线信号进行较为精确的电信号处理，以实现信号的质量提升和干扰抑制。
本文将探讨射频滤波器的基本原理、应用场景以及未来发展方向。
一、射频滤波器的基本原理射频滤波器的主要作用是滤除无线电频谱中的噪声和干扰，提高通信系统的性能。
射频滤波器基于电与磁的相互作用，通过特殊的电路设计来实现电路对不同频率信号的驱动器和负载之间的分离。
射频滤波器根据其工作模式的不同，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等几类。
在电路设计中，射频滤波器的通带和阻带是通过不同的滤波阻抗来实现的，滤波器的传递函数可以表示为：H(f)=G(f)exp(-jψ(f))其中，G(f)表示滤波器的放大系数，ψ(f)表示滤波器的相位移动。
当信号通过滤波器时，不同频率的信号会受到不同程度的滤波，从而使信号的频率分离，达到抑制噪声和干扰的目的。
二、射频滤波器的应用场景射频滤波器广泛应用于各种无线通信系统中，例如移动通信、卫星通信、航空电子通信等。
在移动通信领域，射频滤波器作为关键的无线传输系统部件，主要用于抑制噪声、隔离信道和抑制散射等。
在卫星通信领域，射频滤波器主要用于抑制地面干扰和无线电源等干扰信号，以提高卫星系统的性能。
在航空电子通信中，射频滤波器主要用于飞机雷达、雷达高度计等多个系统中。
射频滤波器在航空电子领域的应用，提高了飞行安全性和通信信号的可靠性，为飞机驾驶员的操作提供了良好的支持。
三、射频滤波器的未来发展方向随着无线通信技术的不断发展，未来射频滤波器将更多地应用于新的通信技术中。
例如，5G、6G等新的通信技术对于射频滤波器的性能要求更加严格，需要提高射频滤波器的带宽、通带平坦度和阻带衰减等性能指标。
同时，随着芯片封装和微波射频技术的不断进步，未来射频滤波器将呈现出更小的体积和更高的性能。
数字信号处理 第六章
各种数字滤波器的理想幅度频率响应 数字滤波器的设计步骤 理想滤波器的逼近 数字滤波器的系统函数H(z) IIR滤波器设计方法
6.1 引言
数字滤波器的设计步骤：
按任务要求，确定滤波器性能要求。 用一个因果稳定的离散线性移不变的系统函数去逼 近这一性能要求。逼近所用系统函数有无限冲激响 应（IIR）系统函数与有限长单位冲激响应（FIR） 系统函数两种。 利用有限精度算法来实现这个系统函数。 实际的技术实现。
零极点分布对系统相角的影响
相位“延时”（或相位“滞后”）系统
最小相位延时系统 最大相位延时系统 最大相位超前系统 最小相位超前系统
相位“超前”（或相位“领先”）系统
当全部零点在单位圆外时，相位变化最大，又是负数， 当全部零点在单位圆外时，相位变化最小， 当全部零点在单位圆内时，相位变化最大， 当全部零点在单位圆内时，相位变化最小， 故称为最小相位超前系统。 故称为最大相位超前系统。 故称为最大相位延时系统。 故称为最小相位延时系统。
2、可实现Ha(s)Ha(-s)零极点分布
j
σ
1、零极点中一半属Ha(s)，另一 半属Ha(-s)。如要求系统稳定， 则左半平面极点属于Ha(s)。 2、挑选零点时，不加任何限制， 则Ha(s)的解不唯一。 3、如限定Ha(s)是最小相位的， 则只能取所有左半平面的零极 点作为Ha(s)的零极点，Ha(s) 的解唯一。 4、虚轴上的零点阶数减半分配给 Ha(s)。 5、稳定系统虚轴上无极点，临界 稳定时虚轴上才会有极点。
第6章 无限冲激响应IIR 数字滤波器的设计方法
刘笑楠
第6章 无限冲激响应IIR 数字滤波器的设计方法
第六章-IIR-DF的设计方法
取前三个根，s1
1 2
j
3 2
,
s2
1,
s3
1 2
j
3 2
Ha (s)
s3
K0 2s2
2s
1
求常数K。
代入s 0时，Ha (0) A(0) 1,则可得K0 1
Ha (s)
s3
1 2s2 2s
1
4、归一化旳系统函数
假如将系统函数旳s 用滤波器旳截止频率清除，这
7.4641016S2 3.8637033S 1)
1/[(S2 0.51763809S 1)(S2 1.4142135S 1)
(S2 1.931851652S 1)]
将s用
S C
S / 7.0321103代入，可得 Ha (s)
Ha (S) 120923.1108 /[S2 3.64003103S 49.4504106 )
j
S1
S4 4
S2
S3
N2
N=3时，
j2
S1 Ce 3 ,
S2 Ce j,
j5
S4 Ce 3 ,
S5 Ce j2
j4
S3 Ce 3 ,
j7
S6 Ce 3
j
S1 S2
S3
S6 S5
S4
N3
取 H a (S)H a (S) 左半平面旳极点为 Ha (S) 旳极点，
这么极点仅有N个，即
j[ 1 2k 1]
四、设计举例（巴特沃思filter）
1、技术指标
20lg Ha ( j2103) 1 20lg Ha ( j3103) 15
2、计算所需旳阶数及截止频率
射频电路理论与设计(第2版)-PPT-第6章
《射频电路理论与设计（第2版）》
（2）带宽。任何一个网络都只能在单一频率上实现匹
配，欲展宽带宽，电路设计要在简单性、带宽以及造 价之间有所权衡。 （3）可实现性。可实现性既要考虑生产工艺的可实现 性，又要考虑尺寸要求的可实现性。 （4）可调ຫໍສະໝຸດ 性。变化的负载需要可调整的匹配网络。
《射频电路理论与设计（第2版）》
图6.2 负载位于归一化单位电导圆内时 L形匹配的圆图图解
《射频电路理论与设计（第2版）》
《射频电路理论与设计（第2版）》
2. 负载位于1+jx圆(归一化单位电 阻圆)内
图6.4 负载位于归一化单位电阻圆
《射频电路理论与设计（第2版）》
3. 负载位于1+jx圆和1+jb圆外
图6.5 负载位于归一化单位电阻和电导圆外时 L形匹配的圆图图解
《射频电路理论与设计（第2版）》
6.1
匹配网络的目的及选择方法
集总参数元件电路的匹配网络设计
6.2
6.3
分布参数元件电路的匹配网络设计
6.4
混合参数元件电路的匹配网络设计
《射频电路理论与设计（第2版）》
6.1 匹配网络的目的及选择方法
1. 匹配网络的目的
匹配包括两个方面，一个是传输线与负载之间的 匹配；一个是信源与负载之间的共轭匹配。传输线与负 载之间的匹配，是使传输线无反射、线上载行波或尽量 接近行波的一种技术措施。
载与传输线间L形
匹配网络共有8种 组合，如图6.1所 示。 图6.1 8种负载与传输线间L形匹配网络
《射频电路理论与设计（第2版）》
双元件负载匹配网络采用图6.1中的哪种形式，取 决于归一化负载阻抗在史密斯圆图上的位置。有3种可能 性，下面分别加以讨论。
射频滤波器1
1 1 1 QL Q QE
QE为外部品质因数
品质因数的另外一个重要应用来自于它与3dB带宽间的关系： fc BW3dB QL
12
§8.3 滤波器基本分析方法
两种分析滤波器输入/输出性能的方法——镜像参量法和插入 损耗法。 8.3.1 镜像参量法 镜像参量法是一种基于二端口网络的ABCD参数分析滤波器 性能的方法。用镜像参量法可以分析滤波器网络的镜像阻抗和 传递函数。
1 TN () cosh N cosh ()
≥ 1
切比雪夫滤波器的衰减曲线
19
§8.4 低通滤波器原型
下表列出了通带内波纹为3 dB，阶数从1到10的切比雪夫归一 化低通滤波器原型的元件参数值。
切比雪夫低通滤波器原型的归一化元件参数(3dB波纹)
20
§8.4 低通滤波器原型
U L 02C
c
实
实际电容：C 1 Lc
3、低通原型变换为带通滤波器时，频率变换要复杂一些。 实际电感：L 实际电容：C
C U L
22
§8.5 滤波器设计方法
8.5.2 阻抗变换 当源阻抗为 RG 时，实际阻抗变换为：
RG RG
L LRG
BW60dB f U60dB f L60dB
4、矩形系数 矩形系数描述了带通滤波器通带与阻带间过渡带宽的陡峭程度， 通常定义为60 dB带宽与3 dB带宽的比值： BW3dB SF BW60dB
11
§8.2 滤波器的基本结构
5、品质因数 品质因数可以分为空载品质因数 Q和有载品质因数QL ，两者由是 否接有负载区分。通常空载品质因数 Q 定义为在谐振频率下，滤 波器上一个周期内平均储能与功率损耗的比： Wstored Q Ploss
《射频通信电路》第6章 匹配和偏置电路
50.0 25.0 10.0 0.01
0.004 0.08 50.0 25.0 10.0 0.01
0.04
0.02
0.02
0.02
0.004 0.04
0.02
50.0 L
50.0 C 25.0 Zin C ZL 100
C 25.0 Zin C ZL Zin 200 L ZL 25.0 100 L 100 50.0 50.0
ZL
500.0
0.2 0.08 0.2 0.04 0.02 0.01 0.004 0.04
Z0
200 100
500.0
0.004 0.08 50.0 25.0 10.0 0.01
0.02
《射频通信电路》程知群
6.2.3 集总参数L形匹配电路
目的
从负载点出发向匹配点移动；
规则
沿着Z-Y Smith圆图中的等电阻圆或等电导圆移动； 每一次移动都对应一个电抗器件；
L=8.1nH
0.4
0.2 0.08 0.2 0.04 0.02 0.01 0.004 0.04
Z0
200 100
500.0
0.2
0.004 0.08 50.0
0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
B
Qn=2
25.0 10.0 0.01
f (GHz)
L=1.6nH
LL=1.6nH Zin=50W
《射频通信电路》程知群
6.2.3 集总参数L形匹配电路
在1GHz的频率下，设计一个两元件L 形匹配电路把负载ZL=10+j10W的负载 匹配到特征阻抗为Z0=50W的传输线。
《射频通信电路》 第六章 匹配和偏置电路
应用：
低噪声放大电路 宽频带放大电路 功率放大电路等射频电路中
《射频通信电路》常树茂
6.2 集总参数匹配电路
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 变压器阻抗变换电路 L形匹配电路 集总参数L形匹配电路 匹配禁区和频率响应 T形和π形匹配电路
0 1 1 Z 0 1 A = 0 1 jω C 1 0
a
jω ( L + LL ) 1 R 1 L
0 1
《射频通信电路》常树茂
6.2.4 匹配禁区和频率响应
-2.4 -2.8 -3.2
|H(ω)| dB
《射频通信电路》常树茂
6.2.4 匹配禁区和频率响应
《射频通信电路》常树茂
6.2.4 匹配禁区和频率响应
50.0
25.0
100
200 10.0
500.0
0.2 0.08 0.2 0.04 0.02 0.01 0.004 0.04
Z0
200 100
500.0
0.004 0.08 50.0 25.0 10.0 0.01
《射频通信电路》常树茂
6.2.1 变压器阻抗变换电路
传输线变压器的阻抗平衡与非平衡变换
《射频通信电路》常树茂
6.2.1 变压器阻抗变换电路
具体的实际例子
《射频通信电路》常树茂
6.2.3 集总参数L形匹配电路
C C L L L ZL Zin ZL
Zin
L
ZL
Zin
C
ZL
Zin
C
C
C
L
射频通信电路6-7章
第六章 6-2若f L >f S ，则本振频率f L 和镜象频率f m 分别为981~95687)894~869(=+=+=I S L f f f MHz 1068~1043=+=I L m f f f MHz 若f L <f S ，则：807~78287)894~869(=-=-=I S L f f f MHz ，695~720m L I f f f =-=MHz 6-4（a ）NF M =4dB=2.51，L M =4dB →G M =0.398 ⎪⎩⎪⎨⎧===10dB 101dB 0A NF ①当NF A =0dB 时，dB451.21151.2121==-+=-+=MMG G F F F②当NF A =10dB 时，1012.5125.12140.398F -=+==dB（b ）NF M =8dB=6.31，G M =3dB=1.995 ① 当NF A =0dB 时，dB831.6113.6==-+=MG F②当NF A =10dB 时，dB 34.1082.10995.111031.6==-+=F6-5求变频增益G 1因为对应1dB 压缩点时P i =–10dBm ，P 0=1dBm ，则基波增益为：dB12)10(11101=--+=+-=i P P G∵ OIP 3=15dBm ，∴IIP 3=OIP 3–G 1=15–12=3dBm ，求放大器的三阶互调分量增益G 3：∵ OIP 3=G 3·(IIP 3)3 化为dB 时有OIP 3=G 3+3×(IIP由于 15=G 3+3×3 ∴G 3=15–9=6dB由干扰信号引起的三阶互调分量 33M IM P G P ⋅= M IMP G P 33+=，现P IM =–62dBm (626)322.67M P =--÷=-dBm6-6 画出三极管混频器的BE C v i ~，BE m v g ~曲线如图，则g(t)波形如图示。