微波技术论文之微波滤波器

《微波原理与技术》期末论文

——微波滤波器介绍

姓名：蔡松

学号：P081613473

班级：08电信1班

指导老师：李国剑

时间：2011-12-20

微波滤波器介绍

一：微波滤波器的定义

微波滤波器, 它的基础是谐振电路，只要能构成谐振的电路组合就可以实现滤波器功能。微波滤波器利用集总参数即各种射频/微波传输线形成的谐振器，理论上滤波器是无耗元件。由于微波的特殊性, 微波电路所采用的元件在结构上和普通电路所用的元件是截然不同的。元件结构上的这种差异引起了微波滤波器的特殊性, 当然作为滤波器, 它和其他滤波器具有许多共性。

微波滤波器的指标形象的描述了微波滤波器的频率响应特性。其指标有：工作频率；擦损带宽；带内纹波；带外抑制；承受功率；插入相移和时延频率特性。微波滤波器搭建起来很简单，但理解起来比较复杂。它们在系统中完成一个基本的功能：阻止某些信号，通过其它信号。但可以用许多不同的方式实现这种功能，而且有许多不同的副作用，例如系统幅度和相位响应失真等。因此在选择滤波器之前，了解它们之间的差异很有帮助。

滤波器有各种配置：低通、高通、带通和带阻或频带抑制滤波器。如同名字的含义那样，低通滤波器对截止点以下信号的衰减最小，同时抑制截止点以上的信号。高通滤波器与此相反。带通滤波器在围绕中心频率的通带内有最小的衰减，对通带以上和以下信号有很高的抑制。带阻滤波器与此相反，阻止围绕中心频率的窄带宽内的信号，允许所有其它信号通过。此外，具有不同频率范围的一对带通滤波器可以组合起来形成双路器(diplexer)，或将三个带通滤波器组合起来形成三路器(triplexer)，而低通和高通滤波器可以组合形成双工器。

理想情况下，滤波器对设计要通过的信号的衰减应为0dB，对设计需要抑制的信号的衰减应无穷大。在实际应用中，电介质基板材料、导体、和连接器都会造成损耗和非理想的滤波器行为。因此针对指定应用选择哪种滤波器需要考虑许多因素。

二：微波滤波器应用选择的考虑因素：

滤波器响应类型包括巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔和椭圆形滤波器，每种滤波器都有不同的响应曲线，适合特定的应用场合。

例如，巴特沃斯滤波器为了最大限度在保证通带内幅度变化最小，牺牲了从通带到阻带的陡峭过渡。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线

最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。

切比雪夫滤波器从通带到阻带的过渡非常陡峭，是一种具有高品质因数(高Q)的滤波器，但在幅度平坦度和通带插损方面有一定的妥协。

贝塞尔滤波器有很好的幅度和瞬态响应，但牺牲了阻带衰减指标。因此贝塞尔滤波器公认具有线性相位特性，在整个通带内具有平坦的群时延。

椭圆形滤波器从通带到阻带的变化也很陡峭，代价是通带幅度波动和通带群时延变化较大。

高斯滤波器滤波器高斯滤波实质上是一种信号的滤波器，其用途是信号的平滑处理，我们知道数字图像用于后期应用，其噪声是最大的问题，由于误差会累计传递等原因，很多图像处理教材会在很早的时候介绍Gauss

滤波器，用于得到信噪比SNR较高的图像（反应真实信号）。与此相关的有Gauss-Lapplace变换，其实就是为了得到较好的图像边缘，先对图像做Gauss平滑滤波，剔除噪声，然后求二阶导矢，用二阶导的过零点确定边缘，在计算时也是频域乘积=>空域卷积。

滤波器的四种频率变换：（1）低通变换；（2）高通变换；（3）带通变换；（4）带阻变换。对应的分别得到低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。不同类型滤波器的性能水平可以通过共同的一组指标进行比较，包括插损、抑制、VSWR和电源处理能力。插损与滤波器通带内的信号有关，是指输出信号与输出信号幅度之间的差异(单位dB)。如前所述，理想的通带插损应为0dB，但实际数据较高，通常在1dB以上，具体取决于信号频率和滤波器类型。滤波器的截止频率将通带和阻带明确分隔开来。滤波器的电压驻波比(VSWR)是衡量滤波器与它所在系统的特征阻抗匹配程度的一个指标。

滤波器类型有许多种，总的分为集总参数滤波器；微带线滤波器。其中集总参数滤波器力有集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器。

微带线滤波器即微带滤波器是在印刷电路板上，根据电路的要求以及频率的分布参数印刷在电路板上的各种不同的线条形成的LC分布参数的滤波器。微带线滤波器的体积与波长成正比、与工作频率成反比，频率越高体积越小，在微波、

毫米波频段体积并不大。其次，LC滤波器由集总参数的电感、电容组成，一般工作在C波段（2~4GHz）以下，在频率较高时，其分布参数起主导作用，性能急速下降。而这时正是微带滤波器发挥的时候。微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。

最普通的微带线滤波器的分类方法通常可可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。微带线低通滤波器可分为切比雪夫滤波器及椭圆函数滤波器。微带线带通滤波器可分为端耦合微带谐振滤波器、平行耦合线器滤波器、发卡式滤波器、交指线滤波器和梳状线滤波器。微带线带通、带阻滤波器是用谐振单元实现滤波器基本元件，合理的连接这些单元是微带线带通、带阻滤波器选择的关键。

随着射频/微波系统的多样化、小型化、大功率化得快速发展，对滤波器的要求是性能指标提高，尺寸尽可能的小。在双工器、多工器的滤波器组合中，为了改善隔离度，希望滤波器特性的边沿更陡峭，用交叉耦合是近年来发展成熟的好办法。那什么是交叉耦合技术?

交叉耦合是在不相邻的谐振单元间增加耦合，使滤波器特性的特殊频率出现零极点。对滤波器交叉耦合技术进行了研究，分析了交叉耦合的矩阵理论，并大致分析了其拓扑结构。从理论上提出了交叉耦合三维拓扑模型，相对于实际应用中的二维拓扑模型，这种结构更为简单，更能充分利用各个耦合腔之间的耦合结构。把交叉耦合结构应用于LC滤波器设计中，计算与仿真结果表明，这种结构可以减少滤波器元器件数目，降低成本，提高性能。

微波滤波器的小型化方法有梯形线、交指线变形、谐振器变形、双模谐振器、多层微带板、微带慢波结构、集总参数元件、高阶电常数基板等。常用的新材料有高温超导、铁氧体、微电机系统、微薄集成电路、光带隙材料、低温共烧陶瓷等，压电换能器可调滤波器。