微波濾波器

微波濾波器，用來過濾或分離不同微波頻率信號的元件。微波濾波器分低通、高通、帶通和帶阻四種類型（高通常用寬頻帶的帶通濾波器代替），它們的結構、參數和設計方法因不同的工作頻率、頻帶寬度、功率容量等指標而有顯著差別。在微波電路系統中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優點，近年來在微波電路系統應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一。

微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路並聯短截線或是短路串聯短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由於它設計簡單，因此在某些地方還是值得應用的。

最普通的濾波器的分類方法通常可分為低通、高通、帶通及帶阻四種類型。

按濾波器的頻率響應來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等；按濾波器的構成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的製作方法和材料可分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

微波濾波器採用分佈參數電路，或集總與分佈參數電路相結合的電路，結構以微波傳輸線、波導為主體(圖a～c)，也可以直接利用金屬諧振腔或介質諧振器。光學和准光學濾波器的結構也可用於毫米波頻率（圖f，g）。各種結構都可設計成寬頻或窄帶的濾波器。此外，濾波器的結構決定受擊穿強度、溫升等限制的功率容量，只有金屬波導結構才可能承受較高的功率。

微波濾波器輸出端的頻域響應函數(電壓或電流)與輸入端的頻域激勵函數（電壓或電流）之比稱為頻域傳遞函數H（jω）。表示濾波器相位－頻率特性的相時延為Tp=ω/β，用分貝表示；衰減－頻率特性（簡稱頻率響應）常採用最平坦型、切比雪夫型和橢圓函數型。

微波濾波器的技術指標包括工作頻率、頻帶寬度、帶內衰減、帶外衰減、時延特性等設計指標；功率容量、溫度穩定性、機械強度及穩定性等結構指標。

微波濾波器的設計法有近似綜合法、準確綜合法和計算機輔助設計等方法。近似綜合法是先根據預期的頻率響應綜合出低通原型，然後應用近似頻率變換得出所需要的微波低通、高通、帶通或帶阻濾波器，再用適當的微波結構來實現。頻率變換是指在衰減相同的條件下低通原型的歸一化頻率與微波濾波器頻率之間的關係。不同的濾波器特性和結構對應不同的近似變換式。

準確綜合法是先引入準確的頻率變換S =Λtgθ，其中θ與濾波器頻率有關，S是變換頻率，Λ是帶寬因子。濾波器結構中長度相等的短截線、開路線和聯接線（通常是1/4中心波長）可分別用S面上的L、C 和單位元件來表示。濾波器的頻率響應也變換成用S表示，然後根據S面上網路綜合的結果，將其中的L、C 和單位元件逆變換成對應的短截線，用微波結構來實現濾波器。準確綜合法僅限於設計等長度短截線濾波器，應用並不普遍。

用近似綜合法和準確綜合法通常的設計都是在理想電路結構的假定下進行的，不易達到預定指標。藉助計算機輔助設計可以計入微波結構中的損耗和不連續性等非理想因素的影響，並能利用最優化方法設計出性能符合預定指標的濾波器。

微波濾波器的設計指標主要包括：

1絕對衰減（Absoluteattenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。

2帶寬（Bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow—fhigh）。

3中心頻率：f或f。

4截止頻率。下降沿3dB點頻率。

5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個倍頻程衰減（dB）。

6微分時延（differentialdelay）：兩特定頻率點群時延之差以ns計。

7群時延（Groupdelay）：任何離散信號經過濾波器的時延（ns）。

8插入損耗（insertionloss）：當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB。

9帶內波紋（passbandripple）：在通帶內幅度波動，以dB計。

10相移（phaseshift）：當信號經過濾波器引起的相移。

11品質因數Q（qualityfactor）：中心頻率與3dB帶寬之比。

12止帶（stopband或rejectband）：對於低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點（如60dB點）的帶寬。

工程應用中，一般要求我們重點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、通帶內相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標，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；群時延是指網路的相移隨頻率的變化率，定義為dU/df，群時延為常數時，信號通過網路才不會產生相位失真；寄生通帶是由於分佈參數傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設計通帶一定距離處又出現的通帶，設計時要避免阻帶內出現寄生通帶。