一種基于切比雪夫阻抗變換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于切比雪夫阻抗變換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的濾波器設(shè)計(jì)，屬于微波電子線 路領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息時(shí)代的到來，信號(hào)處理與濾波器設(shè)計(jì)成為信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)不可 或缺的內(nèi)容。然而半個(gè)世紀(jì)以來，濾波器設(shè)計(jì)的基本理論一直沒有改變，并且現(xiàn)有的技術(shù)僅 僅支持一種濾波器實(shí)現(xiàn)方法，例如無源LRC濾波器、有源RC濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容 濾波器，從指標(biāo)要求到實(shí)際設(shè)計(jì)的第一步，都是基于0. J. Zoble、R. M. Foster等許多前人的 基礎(chǔ)工作。由此而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)理論導(dǎo)致了濾波器初始設(shè)計(jì)的程式化：把給定的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為 S域或z域的傳遞函數(shù)，或轉(zhuǎn)化為LC濾波器結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)高性能指標(biāo)的濾波器對微波電路的 性能具有重要的意義。窄帶、體積小、帶外抑制度高是目前研制濾波器的發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 所要解決的技術(shù)問題：針對以上問題，本發(fā)明提供了一種可以任意引入傳輸零點(diǎn)， 具有矩形系數(shù)高、帶寬窄、功率容量大的基于切比雪夫阻抗變換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的濾波器。
[0004] 技術(shù)方案：基于切比雪夫阻抗變換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無源濾波器要求重點(diǎn)考慮通帶邊 界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時(shí) 延。前兩項(xiàng)是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類（高 通、低通、帶通、帶阻等）；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小；群時(shí)延是指網(wǎng) 絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為dU/df，當(dāng)群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相 位失真。
[0005] 微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號(hào)的一種器件。本基于切比雪夫阻抗變換 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無源濾波器允許低頻信號(hào)以很小的衰減量從輸入端口傳到輸出端口，當(dāng)信號(hào)頻 率超出截止頻率后，信號(hào)的衰減量將急劇增大，從而使輸出端口的信號(hào)幅度下降。從集總參 數(shù)原型出發(fā)，用適當(dāng)?shù)奈⒉ㄔ嬖碗娐分须姼泻碗娙荩ㄈ鐖D1所示）。當(dāng)求解低通濾 波器的L和C時(shí)，一種方法是給定Z c^ZcinYcil= 1/Z ,然后改變1，另一種方法是給定Z ^Zcil 的值來模擬所需要的L和C值，但是通常都采用改變1的方法。另外給定Zc^Zcil后，1的值 必須滿足一定的關(guān)系：
因?yàn)楦咦杩购偷妥杩怪g的比值越大，濾波器的性能 越接近理論特性；反之，相差越大。而帶狀線的高阻抗和低阻抗之間的比值不可能大，微帶 線有介質(zhì)損耗影響，故采用同軸線。
[0006] 如下圖1(a)至圖1(b)所示，一般當(dāng)短截線很短或者不要求很精確的時(shí)候，就認(rèn) 為是一個(gè)單獨(dú)的電抗元件。如圖1(a)中的短截線，當(dāng)其兩端接高阻抗線的低阻抗線，則圖 1(b)中兩邊的串聯(lián)電抗X會(huì)很小，而與其串聯(lián)的高阻抗線的電抗很大，所以串聯(lián)電抗X也 可以忽略不計(jì)，故而T型等效電路中只有一個(gè)并聯(lián)電容B。
[0007] 當(dāng)TEM短截線兩端接低阻抗線的高阻抗線，則圖1(c)中的并聯(lián)導(dǎo)納B會(huì)很小，而 與其并聯(lián)的低阻抗線的電納很大，所以并聯(lián)電納可以忽略不計(jì)，故而IT型等效電路中只有 一個(gè)串聯(lián)電感X。實(shí)際上，這也就是在TEM(橫電磁波）微波濾波器中用高阻抗線實(shí)現(xiàn)串聯(lián) 電感，由低阻抗線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容的原因。
[0010] 采用模擬L和C設(shè)計(jì)切比雪夫低通原型濾波器的步驟為：
[0011] (1)給定所要設(shè)計(jì)濾波器的通帶和阻帶插入衰減數(shù)值，并且根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)公式、 圖表、參數(shù)得出低通濾波器的元件數(shù)目N和歸一化元件數(shù)值；
[0012] (2)根據(jù)濾波器的截止頻率和信號(hào)源內(nèi)阻，選擇梯形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式（電容輸入 式或電感輸入式），計(jì)算出各元件的真實(shí)值；
[0013] (3)計(jì)算、選定傳輸線段的高、低阻抗的特性阻抗值，并計(jì)算各段傳輸線的橫向尺 寸；
[0014] (4)根據(jù)濾波器的實(shí)際元件數(shù)值計(jì)算各高、低阻抗線段的長度；
[0015] 切比雪夫?yàn)V波器具有陡峭的通帶一阻帶過度特性，但是其通帶特性的陡峭程度與 帶內(nèi)波紋相關(guān)；按照上述的設(shè)計(jì)步驟對低通濾波器進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)：
[0016] (1)計(jì)算濾波器元件數(shù)目和歸一化元件數(shù)值
[0017] 給定的切比雪夫低通濾波器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下所示：
[0018] 特性阻抗：Ζ0(Ω);
[0019] 3dB 的截止頻率：fc (Hz);
[0020] 阻帶頻率：fx(Hz);
[0021] 通帶波紋峰值：LAr(dB);
[0022] 阻帶衰減量：La (dB)
[0023] 元件個(gè)數(shù)的計(jì)算公式為

η為濾波器元件個(gè)數(shù)，取最接近的較大奇整數(shù)；因?yàn)棣窃酱?，阻帶?減曲線越陡，也就是說濾波器的選擇性越好；而η多采用奇整數(shù)是因?yàn)榍斜妊┓虻屯ㄔ?在偶數(shù)級時(shí)，其輸入與輸出阻抗不等。
[0026] 則原型濾波器中集總參數(shù)歸一化值為
[0027]
[0028] 式中，g。，-gn，gn+1表示電路中集總參數(shù)歸一化后的數(shù)值，
[0032] (2)選擇梯形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，并計(jì)算各元件真實(shí)值
[0033] 梯形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為串L并C型或并C串L型，因此首先確定切比雪夫原型濾波器 的梯形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，再計(jì)算實(shí)際的電感電容值。圖2和圖3分別是兩種結(jié)構(gòu)的電路原型
[0034] 由特性阻抗值Z。和歸一化元件值g n，得到梯形電路中各元件真實(shí)值為：
[0035] (a)串 L 并 C 型
[0041] 式中g(shù)。，gl，···&···&，g2n+1表示電路中各個(gè)元件的數(shù)值，L k表示梯形電路中電感 元件的真實(shí)值，Ck表示梯形電路中電容元件的真實(shí)值。而在實(shí)際應(yīng)用中，把低通濾波器原型 的元件數(shù)值對g〇做歸一化處理，頻率對ω ' 1歸一化處理，即g。= 1，ω ' 1= I ;且這樣 的歸一化類型易變換成其他阻抗水平和頻率標(biāo)準(zhǔn)的濾波器，變換公式如下：

[0045] 如圖4所示是切比雪夫低通濾波器的衰減特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0047] 式中Lto是通帶波紋峰值，La是阻帶衰減量，用來表示濾波器的振幅特性；ω ' 1是 通帶邊緣上衰減為1^時(shí)的頻率，即通帶邊緣截止頻率，也就是說0~ω ' 通帶，ω ' i 以上為阻帶；η是電路的電抗元件數(shù)目，且當(dāng)η為偶數(shù)時(shí)，響應(yīng)內(nèi)Lto= 0的頻率有§個(gè)；當(dāng) η為奇數(shù)時(shí)，La= 0,頻率有
；R。表示單位長度電阻，R/表示歸一化后的單位長度電 阻，G表不電導(dǎo)，表不歸一化后的電腦，G。表不單位長度電導(dǎo)，G (/表不歸一化后的單位 長度電導(dǎo)，U表不歸一化后的電感，C表不歸一化后的電容，ω表不輸入頻率，表不 輸出頻率。
[0048] (3)計(jì)算各高、低阻抗線的直徑
[0049] 微波電路采用電磁波傳輸信號(hào)，因此受分布參數(shù)元件影響較大。切比雪夫微波低 通濾波器設(shè)計(jì)的微波實(shí)現(xiàn)，即用一段高阻抗線實(shí)現(xiàn)串連電感，一段低阻抗線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容。 相鄰兩段內(nèi)徑不同的同軸線的連接處為階梯形（如圖4所示），該處電磁場分布將會(huì)發(fā)生變 化。就同等阻抗而言，外導(dǎo)體階梯比內(nèi)導(dǎo)體階梯的邊緣電容要小，故采用內(nèi)導(dǎo)體階梯邊緣電 容來表示其對相關(guān)參數(shù)的影響。圖5為同軸線縱切面圖，圖6為其等效電路，但等效電路是 當(dāng)頻率低于第一個(gè)高低模的截止頻率時(shí)才成立。
[0050] 有邊緣電容
[0051] Cd=C/ X 4b (11)
[0052] 同時(shí)
[0054] 式中
B1為高阻抗段同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑，a2為低阻抗段同軸線內(nèi)導(dǎo)體 直徑，b為同軸線外導(dǎo)體直徑；ε = 8. 85X 10 12;
[0055] 如圖7所示，設(shè)同軸線的內(nèi)導(dǎo)體的外徑為d，外導(dǎo)體的內(nèi)徑為D，兩導(dǎo)體之間填充介 質(zhì)的相對介電常數(shù)為％，相對導(dǎo)磁率為通常 μι= 1)，忽略同軸線損耗，則其特性阻 抗為：
[0057] 因此給定特性阻抗Z。內(nèi)導(dǎo)體外徑d以及外導(dǎo)體內(nèi)徑D即可由式（11)、式（13)求 解出各段高、低阻抗線的直徑；
[0058] (4)計(jì)算各高、低阻抗線的長度
[0059] 同軸線單位長度上的電感U和電容C分別：
[0062] 式中Vp為波傳輸?shù)南嗨俣龋?br>[0063] 從而得到：對應(yīng)電感L的同軸線段長度：
[0065] 對應(yīng)電容C的同軸線長度：
[0067] 式中ZcihS高特性阻抗，Z。為低特性阻抗；
[0068] 然后檢驗(yàn)各高低阻抗線的長度是否滿足關(guān)系式：
[0069] 有益效果：本發(fā)明根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合法，研發(fā)的一種新型可調(diào)諧高線性基于切比雪夫 阻抗變換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無源濾波器具有結(jié)構(gòu)尺寸小、易于加工制作，易于和元件匹配等優(yōu)點(diǎn)。 具有良好的線性，并且參數(shù)可調(diào)，最后給出了計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。本發(fā)明綜合設(shè)計(jì)的微波濾波 器不僅所需要的元件最少，而且能夠得到最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)簡化了設(shè)計(jì)過程，進(jìn)而大大 得提高了工作效率。
【附圖說明】
[0070] 圖I (a)為TEM短截線圖。
[0071] 圖I (b)為TEM短截線的T型等效電路。
[0072] 圖I (c)為TEM短截線的IT型等效電路。
[0073] 圖2為串