第1章微波濾波器的地位、發展和選用
1.1概述
本章的目的是：
（1）對微波濾波器提供乙個綱要性的介紹，以便從品種繁多、效能各異的微波濾波器選用所需的結構和設計方法。
（2）簡要地討論微波濾波器的在微波工程中的地位、發展和應用，以使讀者明確，本書的物件不僅是微波濾波器的研製人員，而且可能為更廣大的讀者服務，例如需要寬頻帶天線饋電裝置的天線研製人員；需要寬頻帶阻抗匹配裝置的微波電子器件的研製人員；需要微波時延網路的總體工程技術人員，以及其他特殊微波電路設計的廣大工程技術人員等等。
1.2微波濾波器的進展
這裡只對近年來的主要進展和發展趨勢作一簡單的概括。
（1）從個別應用到一般應用
隨著微波理論和技術的發展，微波波段中電子裝置的增多、頻譜的擁擠，加之電子對抗技術的普遍應用，促使微波濾波器在應用的廣度和深度上都進展極大。
（2）設計方法從繁到簡、從粗糙到精確
（3）形式多樣和元件化、標準化
由於應用廣泛和設計製造工藝的進展，微波濾波器已從極少的幾個品種發展到數以十記的結構型別。一些常用的結構已元件化和標準化。印刷電路式或微波積體電路式的微波濾波器亦開始廣泛研製。
（4）與其他有源或無源的微博元件和器件的結合日益密切
現在，微波濾波器已成為無源微波元件的主角之一，它不僅能完成本身的任務，而且還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濾波器結構來設計。
半導體器件工藝飛躍進步及其向更高頻的發展，已使得微波濾波器技術也用於各種半導體器件中，例如倍頻器、變頻器、放大器以及二極體相移器、開關和調製器等等，在微波積體電路中它們結合成乙個整體。
（5）各種新型材料用於微波濾波器
微波材料的進步及其在微波濾波器中的應用，大大地提高了濾波器的效能。例如微波鐵氧體、鐵電體、等離子體、超導體都已開始成功地用於微波濾波器中。
（6）調諧的高速和自動化
眾所周知，當初微波單腔諧振器的調諧已相當困難，更不用說多個諧振器組合成的濾波器了。但現在已可對微波濾波器進行快速電調，例如釔鐵石榴石磁調濾波器和變容管電調濾波器就是最好的範例。
（7）向新波段進軍
人們對公釐波和亞公釐波濾波器的興趣正在日益增長，研製這一新波段的濾波器除發展釐公尺波波段已有的技術外，還廣泛引用光學上的成果。可以預料，隨著新型功率源和傳輸線的研製，這些新波段濾波器的研製工作將更加活躍。
1.3微波濾波器的流程圖
補充說明：
（1）區別於低頻濾波器，微波濾波器的主要特點之一就是其尺寸可與波長相比擬。因而當波長變化時，它必然表現出週期特性，即濾波器除主響應外，還有週期性的副響應。因此，其第二個附加響應的位置常是乙個十分重要的指標。
（2）描述微波濾波器響應優劣的指標之一是從通帶過渡到阻帶的快慢，稱之為響應的「邊緣陡度」或濾波器的「選擇性」。
（3）在分析微波濾波器時，常忽略其諧振器的損耗，但事實上諧振器的q值是有限的。無載q值越高，對於一定的相對頻寬，該濾波器通帶的插入衰減就越小，因此無載q值也是選用濾波器時應當注意的問題。
1.4常用微波濾波器的比較
（1）直接耦合或1/4波長耦合諧振器濾波器
這是一種端耦合濾波器，它適用於同軸線、帶狀線、波導各種形式。其設計方法有而，一是基於集總元件低通原型，另一是基於階梯阻抗變換器原型。前法適用於較小的相對頻寬（＜20%）和中等通帶紋波的窄帶帶通濾波器的設計，而後法則適用於較大的相對頻寬（＞20%乃至倍頻程）和較小的通帶紋波（例如0.
01db）的寬頻帶通或高通濾波器的設計。實用中，同軸線高通濾波器以這種結構最為流行。在波導帶通濾波器中，它是最簡單應用最廣而效能又相當優良的形式。
顯然，當做成同軸線或帶狀線形式時，需要介質支撐。
（2）平行耦合式帶通濾波器
當諧振器不用端耦合，而用邊耦合時，則較大的不太精確的間隙是可行的，從而製造容易。有開路耦合線和短路耦合線兩種對偶形式。較少用於寬頻，窄帶應用廣泛，用印刷電路的開路平行耦合線形式卻非常方便。
然而，其阻帶特性並不十分理想。
（3）交指型帶通濾波器
其結構緊湊、堅實，效能優良，製造公差要求低，有適用於各種頻寬的結構和設計方法，故應用極廣。有終端短路和終端開路兩種基本形式，前者適於窄帶，後者適於寬頻，既可做成印刷薄帶形式，又可做成圓杆或矩形杆自撐式，還可用人為地電容載入來減小體積。
（4）梳妝線帶通濾波器
這是一種結構更為緊湊的濾波器。在許多方面，它與電容載入的交指型濾波器很相似，但它所有的電容都加在同一邊。諧振器長度取決於載入電容的大小，通常為1/8波長。
其衰減特性不對稱，故適於需要寬阻帶應用的場所。現用的設計方法只適於窄帶設計。
（5）帶阻濾波器
波導型的帶阻濾波器只適於窄帶，而ｔｅｍ帶阻濾波器則有適於各種頻寬的優良結構。
（6）橢圓函式型濾波器
在各種濾波器響應中，橢圓函式響應是最為優越的，因為，這種型別的濾波器通帶和阻帶均為等波紋特性，陡度較大，因此同樣的選擇性，它可以有更為緊湊的結構。
１.５用濾波器來分離和疊加訊號
濾波器結構最直接最基本的應用當然是抑制不需要的訊號頻率，而使需要的訊號頻率順利傳輸。
實用中常把幾個濾波器組合成雙工器或多工器，以分離或疊加訊號。圖１.５.
２為乙個三通道多工器示意圖，它能將２－４千ｍｈｚ的訊號分到三個通道中，為了使輸入端電壓駐波比很低，必須專門設計各通道濾波器和特殊的接頭匹配網路。反之，如果將圖中訊號流的方向反過來，就可以使三個通道的訊號疊加在一起。顯然，如果不用多工器而直接將各分通道用簡單的傳輸線接頭來疊加，則由於反射和洩露，將造成很大的能量損耗。
1.６阻抗匹配網路和耦合結構
為了使訊號源和負載間無反射傳輸，需要恰當設計阻抗匹配網路和耦合網路。可以證明，有效的寬頻帶阻抗匹配網路和耦合結構必須是濾波器結構。
1.７時延網路和慢波結構
有時需要使微波能量延遲若干時間，用一段微波傳輸線當然可達到此目的，但不方便，若利用微波濾波器的時延特性，則可順利地達到此目的。
第2章現代微波濾波器的設計基礎
2.１概述
濾波器特性可用其頻率響應來描述，按其特性不同，可分成低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。
2.２濾波器的轉移函式和衰減
濾波器設計的最終目的，是根據給定的傳輸特性要求，用乙個網路來實現。表徵濾波器傳輸特性的方法有很多，這裡主要討論綜合濾波器時最有用的幾個函式，即轉移函式和工作衰減，以及與它們有關的物理量。
（1）電壓轉移函式和傳輸函式
（2）功率轉移函式與插入衰減
（3）反射係數、電壓駐波比與衰減的關係
2.３濾波器的影象引數
影象引數是廣泛應用在濾波器設計和阻抗匹配網路中的一種網路引數，是網路的影象阻抗和影象傳輸函式的總稱。
影象阻抗的定義：當乙個無源線性四端網路的輸出端接上某一阻抗，則從網路輸入端向網路看去的輸入阻抗就等於；如果把阻抗接在網路的輸入端，而由網路的輸出端向網路看去的輸入阻抗就等於。如圖所示，則在此網路兩端互成影象關係的阻抗和稱為「網路的影象阻抗」。
「影象傳輸函式」的定義是：在四段網路兩端接以相應的影象阻抗的工作條件下，它的輸入端復功率與輸出端復功率之比的自然對數之半，稱為四端網路的「影象傳輸函式」。
影象引數與一般電路引數以及開路阻抗和短路導納間的關係：
2.４歸一化低通原型濾波器
2.５最平坦低通原型濾波器
2.６切比雪夫低通原型濾波器
2.７雙終端低通原型濾波器的對稱性
所有最平坦低通原型和奇數個元件的切比雪夫低通原型都是對稱的。
２.８只有一種電抗元件的低通原型濾波器
（１）阻抗變換器和導納變換器
（2）只有一種電抗元件的低通原型
圖２.８－２（ａ）是由阻抗變換器ｋ和串聯電感所構成的低通原型，圖２.８－２（ｂ）是由導納變換器ｊ和併聯電容所構成的低通原型，兩者互為對偶。
2.９橢圓函式低通原型濾波器
橢圓函式低通原型濾波器的通帶和阻帶都具有切比雪夫紋波，它的引數須用橢圓函式來進行計算，故稱為「橢圓函式濾波器」。
2.１０低通原型濾波器的時延特性
（1）濾波器時延特性的一般概念
濾波器的電壓轉移函式的相位，稱為「濾波器的傳輸相位」，即
此濾波器上在任一頻率上的相位延遲是
而其群延遲是
（2）最平坦時間延遲原型濾波器
（3）幾種原型濾波器群延遲特性的比較
2.１１頻率變換
（1）由低通到高通的頻率變換
（2）由低通到帶通的頻率變換
（3）由低通到帶阻的頻率變換
2.１２元件損耗對濾波器的影響
任何構成實際微波濾波器的元件都是有損耗的，即元件的ｑ值是有限的，這些損耗將使濾波器的通帶衰減增高，而使阻帶衰減降低。在由低通原型濾波器設計微波濾波器時，最方便的辦法是找出微波濾波器元件ｑ值與原型濾波器中元件損耗的關係，在確定元件損耗對原型濾波器響應的影響，這樣即可得到有限元件ｑ值對微波濾波器通帶和阻帶衰減的影響。下面就分別討論元件損耗對低通原型濾波器的通帶衰減及阻帶衰減的影響。
第3章微波濾波器元件
3.1概述
本章的目的是明確設計引數與微波濾波器結構尺寸的關係，這裡扼要地歸納一下設計微波濾波器最常用的同軸線、帶狀線和波導的有關公式、資料和資料，以備設計之用。
3.2橫電磁波傳輸線的一般性質
在常用的微波傳輸線中，平行雙導線、同軸線、帶狀線上所傳輸的電磁波主模，均為橫電磁波，簡稱為tem波。
3.3同軸線的特性及其設計圖表
3.4帶狀線的特性及其設計圖表
3.5平行耦合帶狀線的特性及其設計圖表
許多帶狀線元件是利用平行導體間所存在的自然耦合構成，例如平行耦合線構成的濾波器、定向耦合器、平衡-不平衡變換器，以及梳妝線濾波器、交指型濾波器等。平行耦合線的一些主要結構示於圖3.5-1中，其中（a）、（b）、（c）主要用於弱耦合元件中；而（d）、（e）、（f）、（g）主要用於強耦合元件中。
這種平行耦合線的特性可以用偶模阻抗和奇模阻抗來表徵。定義為方向相同的電流通過兩線時，一線對地的特性阻抗；定義為方向相反的電流通過兩線時，一線對地的特性阻抗。
3.6平行耦合矩形杆帶狀線
3.7傳輸線的不連續性
（1）同軸線直徑的改變
無論同軸線的內導體、外導體或兩者的直徑發生階躍變化時，階梯處呈現一併聯等效電容，其資料可用圖3-7.2求得。這些等效電路是當工作頻率低於第乙個高次模的截止頻率時才成立。
（2）帶狀線中心導帶寬度的改變
帶狀線中心導帶寬度的階梯改變，其效應等效於乙個與線向串聯的的感抗，該感抗的計算公式如下
通常，此值很小，可以忽略。
（3）帶狀線直角拐彎
如圖3.7-4所示的帶狀線，中心導帶拐成直角，拐角外邊截成斜線，以降低拐角處的電壓駐波比。該圖實用於接地板間距與波長之比為=0.0847，其它尺寸可由圖中曲線查出。
（4）平行接地板間半無限板的邊緣電容
在兩平行接地板間放入乙個人搬無限板，其乙個角的準確邊緣電容是
（5）帶狀線t形接頭
如圖3.7-6(a)所示的對稱帶狀線t形接頭，可用圖3.7-6（b）的等效電路來表示。
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