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微波滤波器的地位、发展和选用
1.1概述
本章的目的是:
对微波滤波器提供一个纲要性的介绍,以便从品种繁多、性能各异的微波滤波器选用所需的结构和设计方法。
简要地讨论微波滤波器的在微波工程中的地位、发展和应用,以使读者明确,本书的对象不仅是微波滤波器的研制人员,而且可能为更广大的读者服务,例如需要宽频带天线馈电设备的天线研制人员;需要宽频带阻抗匹配装置的微波电子器件的研制人员;需要微波时延网络的总体工程技术人员,以及其他特殊微波电路设计的广大工程技术人员等等。
1.2微波滤波器的进展
这里只对近年来的主要进展和发展趋势作一简单的概括。
从个别应用到一般应用
随着微波理论和技术的发展,微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤,加之电子对抗技术的普遍应用,促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大。
设计方法从繁到简、从粗糙到精确
形式多样和元件化、标准化
由于应用广泛和设计制造工艺的进展,微波滤波器已从极少的几个品种发展到数以十记的结构类型。一些常用的结构已元件化和标准化。印刷电路式或微波集成电路式的微波滤波器亦开始广泛研制。
与其他有源或无源的微博元件和器件的结合日益密切
现在,微波滤波器已成为无源微波元件的主角之一,它不仅能完成本身的任务,而且还代替其他一些微波元件的功能,或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来设计。
半导体器件工艺飞跃进步及其向更高频的发展,已使得微波滤波器技术也用于各种半导体器件中,例如倍频器、变频器、放大器以及二极管相移器、开关和调制器等等,在微波集成电路中它们结合成一个整体。
各种新型材料用于微波滤波器
微波材料的进步及其在微波滤波器中的应用,大大地提高了滤波器的性能。例如微波铁氧体、铁电体、等离子体、超导体都已开始成功地用于微波滤波器中。
调谐的高速和自动化
众所周知,当初微波单腔谐振器的调谐已相当困难,更不用说多个谐振器组合成的滤波器了。但现在已可对微波滤波器进行快速电调,例如钇铁石榴石磁调滤波器和变容管电调滤波器就是最好的范例。
向新波段进军
人们对毫米波和亚毫米波滤波器的兴趣正在日益增长,研制这一新波段的滤波器除发展厘米波波段已有的技术外,还广泛引用光学上的成果。可以预料,随着新型功率源和传输线的研制,这些新波段滤波器的研制工作将更加活跃。
1.3微波滤波器的流程图
补充说明:
区别于低频滤波器,微波滤波器的主要特点之一就是其尺寸可与波长相比拟。因而当波长变化时,它必然表现出周期特性,即滤波器除主响应外,还有周期性的副响应。因此,其第二个附加响应的位置常是一个十分重要的指标。
描述微波滤波器响应优劣的指标之一是从通带过渡到阻带的快慢,称之为响应的“边缘陡度”或滤波器的“选择性”。
在分析微波滤波器时,常忽略其谐振器的损耗,但事实上谐振器的Q值是有限的。无载Q值越高,对于一定的相对带宽,该滤波器通带的插入衰减就越小,因此无载Q值也是选用滤波器时应当注意的问题。
1.4常用微波滤波器的比较
直接耦合或1/4波长耦合谐振器滤波器
这是一种端耦合滤波器,它适用于同轴线、带状线、波导各种形式。其设计方法有而,一是基于集总元件低通原型,另一是基于阶梯阻抗变换器原型。前法适用于较小的相对带宽(<20%)和中等通带纹波的窄带带通滤波器的设计,而后法则适用于较大的相对带宽(>20%乃至倍频程)和较小的通带纹波(例如0.01dB)的宽带带通或高通滤波器的设计。实用中,同轴线高通滤波器以这种结构最为流行。在波导带通滤波器中,它是最简单应用最广而性能又相当优良的形式。显然,当做成同轴线或带状线形式时,需要介质支撑。
平行耦合式带通滤波器
当谐振器不用端耦合,而用边耦合时,则较大的不太精确的间隙是可行的,从而制造容易。有开路耦合线和短路耦合线两种对偶形式。较少用于宽带,窄带应用广泛,用印刷电路的开路平行耦合线形式却非常方便。然而,其阻带特性并不十分理想。
交指型带通滤波器
其结构紧凑、坚实,性能优良,制造公差要求低,有适用于各种带宽的结构和设计方法,故应用极广。有终端短路和终端开路两种基本形式,前者适于窄带,后者适于宽带,既可做成印刷薄带形式,又可做成圆杆或矩形杆自撑式,还可用人为地电容加载来减小体积。
梳妆线带通滤波器
这是一种结构更为紧凑的滤波器。在许多方面,它与电容加载的交指型滤波器很相似,但它所有的电容都加在同一边。谐振器长度取决于加载电容的大小,通常为1/8波长。其衰减特性不对称,故适于需要宽阻带应用的场所。现用的设计方法只适于窄带设计。
带阻滤波器
波导型的带阻滤波器只适于窄带,而TEM带阻滤波器则有适于各种带宽的优良结构。
椭圆函数型滤波器
在各种滤波器响应中,椭圆函数响应是最为优越的,因为,这种类型的滤波器通带和阻带均为等波纹特性,陡度较大,因此同
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