微波濾波器的設計與仿真畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 /wc卻很 小，電感L上有一個很大的壓降，電容C又幾乎把R2短路，所以，縱然電源的電動勢 Eg保持不變，負載R2兩端的壓降E2也接近于零。換句話說，R2不能從電源取得多少功率。網絡會讓低頻信號順利通過，到達R2，但阻攔了高頻信號，使R2不受它們的作用，那些被網絡A（或其他濾波器）順利通過的頻率構成一個“通帶”，而那些受網絡A阻攔的頻率構成一個“止帶”，通帶和止帶相接頻率稱為截止頻率。 什么機理使網絡A具有阻止高頻功率通過的能力呢？網絡A是由電抗元件組成的，而電抗元件是不消耗功率的，所以，高頻功率并沒有被網絡A吸收，在圖一所示的具體情況中，它有時貯存于電感L的周圍，作為磁能；在另一些時間，它又由電感L交還給電源。如果L和C都是無損元件（即它們的電阻等于零），那么，高頻功率就是這樣在電感與電源之間來回交換，絲毫不受損耗，這就是電抗濾波器阻止一些頻率通過的物理基礎。從這個意義來說，我們可以認為濾波器將止帶頻率的功率發射回電源去，同時也是因為這個關系，在止帶內濾波器的輸入阻抗是純電抗性的。，它的濾波效能是比較低的，在許多場合下，往往不能滿足技術上的要求，而不得不采取更復雜的電路結構。然而，不管電路結構如何復雜，濾波作用的物理根源還是和前面所說的完全一樣。 濾波作用是濾波網絡所具有的內在特性，但濾波網絡所能起到的作用還受外界因素（電源內阻R1和負載電阻R2）的影響。濾波效能首先決定于濾波器的內在特性（這是主要的），同時還決定于濾波器的外加阻抗（這也是不可忽略的）。那么，濾波器效能是用什么來衡量的呢？(a)表示一個電源，它的電動勢為Eg，內阻為R1。設負載為R2，則當負載直接與電源相接時，它所能吸收的功率Po2為：現在我們將濾波器A接于電源與負載之間，(b)所示，由于濾波器的特性，當電源頻率變化時，出現于R2兩端的壓降E2是不同的，即R2從電源所取得的功率 =在不同頻率上是不等的。用分貝來表示的Po2與R2的比值稱為插入損耗Li：插入損耗Li是衡量濾波器效能的一個參數。根據上面的討論，顯然可見，一個良好的濾波器的插入損耗在通帶內應該比較低，而在止帶內應該比較高。理想的濾波器的插入損耗在通帶內應該等于零，而在止帶內應該是無窮大。 插入損耗是普通濾波器常用的參數。濾波網絡具有的阻抗變換特性不難使負載R2在整個通帶內與電源達成匹配。這時，負荷所吸收的功率將超過Po2，而使Li取得負值。根據R1和R2的比值不同，Li的這個負值也不一樣。因此，插入損耗Li并不是一個很方便的比較基準。為了避免這種困難，人們還提出另外一個參數，它以電源所能供給的最大功率Po為基準。從電工基礎我們知道：P1與Po的比值，如以分貝來表示，稱為變換器損耗LA根據以上給出的種種關系，可以算出：從上式顯然可見，當R1=R2=時，變換器損耗就是插入損耗。有些參考書上，這兩者是混為一談的。 必須注意，在上式中，當頻率變化時，P2是跟著變化的。在理想的情況下，濾波器的變換器損耗LA 在通帶內應該是零，而在止帶內則應該具有比較大的數值。根據濾波器的具體電路結構，變換器損耗與頻率保持有各種不同的關系。，在這些圖中，橫坐標w表示頻率w，縱坐標表示變換器損耗LA。(a)表示有關器件順利通過低于w1w的頻率，而阻礙高于w1w的頻率通過；這樣的器件稱為低通濾波器（LP－Low Pass）。(b)的情況正好相反，稱為高通濾波器（HP－High Pass）。(c) 表示有關器件順利通過w1w至w2w之間的頻率，對于低于w1w或高于w2w的頻率都阻礙它們通過；這樣的器件稱為帶通濾波器（BPBand Pass）。(d)是(c)的對立面，它阻止w1w至w2w之間的頻率通過，稱為帶阻濾波器（BS－Band Suppress）。這些不同的頻率特性取決于電路的具體結構，圖四給出以上四種濾波器的基本結構形式，各個元件的數值是和變換器衰減的頻率特性以及所接負載密切聯系著的。驟然看來，這四種電路結構是很不相同的，似乎各自應有各自的設計方法。其實不然，通過一些數學方法，人們可以把這四種濾波器電路結構完全統一起來，這里用到的數學方法叫作“頻率變換”。應用頻率變換法，其它三種濾波器都可以看作低通濾波器；在設計時，先從它對應的低通濾波器著手（因為這樣簡單得多），在獲得低通濾波器的設計數據以后，再用頻率變換法，求得所要設計的濾波器的數據。因為這個關系，滿足設計技術要求的低通濾波器稱為“母型濾波器”或“原型濾波器”（prototype)。上面提出了衡量濾波器效能的參數－－變換器損耗LA，但是，效能好壞的準則又是什么呢？在實際濾波器中，變換器損耗的頻率特性往往不像圖三那樣理想。首先，從通帶過渡到止帶，LA是慢慢增加的，所以，衡量濾波器效能好壞的有關標準是：從通帶過渡到止帶時，LA曲線的上升要陡峭。其次在通帶內，變換器損耗不是完全不存在的，一方面因為構成濾波器的元件多少總帶有一點損耗，如電感中的電阻，電容中的漏阻等。另一方面，由于設計上的考慮，有時故意要LA在通帶內不能完全為零。故衡量濾波器效能的另一準則是：在AL曲線從通帶過渡到止帶的上升程度相同的情況下，LA在通帶內的大小究竟怎樣。 對以上兩點的要求越高，濾波器所需用的元件越多，這將帶來生產工作和造價的增加。所以，對于實際設計，應根據具體情況進行全面的考慮，只要濾波性能能夠滿足所提出的要求，那便沒有追求LA曲線上升過分陡峭的必要。濾波器的設計當前有兩種不同的出發點。一種稱為鏡象參數法。它以濾波網絡的內在特性為根據。是人們一向用來設計濾波器的老辦法。這種方法的特點是:根據濾波網絡的具體電路,用分析的方法推算出變換器損耗的特性。然后再將這些具體電路拼湊起來,使總的LA特性滿足所需要的技術要求。用這種方法設計出來的濾波器一般為K 式濾波器和m式濾波器等。這種方法的優點是理論根據簡單。它的缺點是在分析過程中沒有考慮外接負載的影響,故在具體的設計要求提出后,需要反復試探,才能得到設計結果。這對于缺乏經驗的工作人員來說,是頗費時間的。 另一種方法從插入損耗入手,它是近年來應用的很多的設計方法。這種方法的特點是:根據所提出的技術要求,決定插入損耗Li(在R2=R1=時也就是孌換器損耗LA)與頻率w的函數關系,然后根據這個函數關系,應用網絡理論綜合出具體的電路結構。所以這種方法和前面的一種方法正好是相反的。這種方法根據要求推求電路,而鏡象參數法則是應用已知的特性電路拼湊出滿足要求的結構。這種方法的優點是設計準確,而且設計是已經考慮到外接負載的影響,無需經過多次試探的手續。它的缺點是需要用到比較難深的網絡理論。但是,這個缺點是可以彌補的,因為只要一當把滿足各種要求的母型濾波器設計出來以后,后來的設計手續變成了簡單的查表讀圖和應用淺近數學方法換算數據,從實用角度來說比鏡象參數法還要簡單得多