通信系统微波滤波器 基础、设计与应用PDF电子书下载

第1章 射频滤波器——无线通信网络系统概论 1

1.1通信系统模型 1

1. 1. 1通信系统的组成 2

1.2无线频谱及其应用 4

1.2.1微波频率下的无线传播 4

1.2.2作为自然资源的无线频谱 5

1.3信息论的概念 6

1.4通信信道与链路预算 8

1.4. 1通信链路中的信号功率 8

1.4.2发射天线与接收天线 8

1.5通信系统中的噪声 11

1.5. 1邻近同极化信道干扰 12

1.5.2邻近交叉极化信道干扰 12

1.5.3多路径干扰 12

1.5.4热噪声 13

1.5.5级联网络中的噪声 17

1.5.6互调噪声 19

1.5.7非理想信道的失真 20

1.5.8射频链路设计 22

1.6通信系统中的调制和解调方案 24

1. 6. 1幅度调制 24

16.2基带信号的组成 25

1.6.3角调制信号 26

1.6.4频率调制系统和幅度调制系统的对比 28

1.7数字传输 29

1.7.1抽样 30

1.7.2量化 30

1.7.3脉冲编码调制系统 30

1.7.4脉冲编码调制系统的量化噪声 31

1.7.5二进制传输中的误码率 31

1.7.6数字调制和解调方案 33

1.7.7高级调制方案 34

1.7.8服务质量和信噪比 37

1.8卫星系统的通信信道 37

1.8.1接收部分 39

1.8.2信道器部分 40

1.8.3高功率放大器 41

1.8.4发射机部分的架构 43

1.9蜂窝系统中的射频滤波器 46

1.10系统需求对射频滤波器指标的影响 47

1.11卫星和蜂窝通信对滤波器技术的影响 49

1.12小结 50

1.13参考文献 50

附录1A互调失真小结 51

第2章 电路理论基础——近似法 52

2.1线性系统 52

2. 1. 1线性的概念 52

2.2系统的分类 53

2.2.1时变系统和时不变系统 53

2.2.2集总参数系统和分布参数系统 53

2.2.3即时系统和动态系统 53

2.2.4模拟系统和数字系统 53

2.3电路理论的历史演化 53

2.3.1电路元件 54

2.4线性系统在时域中的网络方程 54

2.5频域指数驱动函数的线性系统网络方程 55

2.5.1复频率变量 56

2.5.2传输函数 57

2.5.3连续指数的信号表示 57

2.5.4电路网络的传输函数 58

2.6线性系统对正弦激励的稳态响应 58

2.7电路理论近似法 59

2.8小结 60

2.9参考文献 60

第3章 无耗低通原型滤波器函数特性 61

3.1理想滤波器 61

3.1.1无失真传输 61

3.1.2二端口网络的最大传输功率 62

3.2双终端无耗低通原型滤波器网络的多项式函数特性 62

3.2.1反射和传输系数 63

3.2.2特征多项式的归一化 65

3.3理想低通原型网络的特征多项式 65

3.4低通原型的特性 66

3.4.1幅度响应 66

3.4.2相位响应 67

3.4.3相位的线性度 68

3.5不同响应波形的特征多项式 68

3.5.1全极点原型滤波器函数 68

3.5.2包含有限传输零点的原型滤波器函数 69

3.6经典原型滤波器 69

3.6.1最大平坦滤波器 69

3.6. 2切比雪夫滤波器 70

3.6. 3椭圆函数滤波器 71

3.6.4奇数阶椭圆函数滤波器 73

3.6.5偶数阶椭圆函数滤波器 74

3.6.6包含传输零点和最大平坦通带的滤波器 75

3.6.7线性相位滤波器 75

3.6.8最大平坦、切比雪夫和椭圆函数滤波器的比较 76

3.7通用设计表（UDC） 76

3.7.1波纹因子 77

3.8低通原型电路结构 78

3.8.1原型网络的变换 79

3.8.2变换后的滤波器频率响应 80

3.9滤波器的损耗影响 81

3.9.1损耗因子δ与品质因数Q0的关系 82

3.9.2低通和高通滤波器的等效δ 83

3.9.3带通和带阻滤波器的等效δ 84

3.10不对称响应滤波器 85

3.10.1正函数 85

3.11小结 88

3.12参考文献 88

附录3A通用设计表 89

第4章 特征多项式的计算机辅助综合 94

4.1对称低通原型滤波器网络的目标函数和约束条件 94

4.2目标函数的解析梯度 95

4.2.1无约束目标函数的梯度 96

4.2.2不等式约束条件的梯度 97

4.2.3等式约束条件的梯度 97

4.3经典滤波器的优化准则 98

4.3.1切比雪夫函数滤波器 98

4.3.2反切比雪夫滤波器 98

4.3.3椭圆函数滤波器 99

4.4新型滤波器函数的生成 99

4.4.1等波纹通带和阻带 99

4.4.2非等波纹阻带和等波纹通带 100

4.5不对称滤波器 100

4.5.1切比雪夫通带的不对称滤波器 101

4.5.2任意响应的不对称滤波器 102

4.6线性相位滤波器 103

4.7滤波器函数的关键频率 104

4.8小结 104

4.9参考文献 104

附录4A一个特殊的八阶滤波器的关键频率 105

第5章 多端口微波网络的分析 106

5.1二端口网络的矩阵表示法 106

5.1.1阻抗矩阵［Z］和导纳矩阵［Y］ 106

5.1. 2 ［ ABCD］矩阵 107

5.1.3散射矩阵［S］ 109

5.1. 4传输矩阵［T］ 112

5.1. 5二端口网络的分析 115

5.2两个网络的级联 116

5.3多端口网络 122

5.4多端口网络的分析 123

5.5小结 127

5.6参考文献 127

第6章 广义切比雪夫滤波器函数的综合 128

6.1二端口网络传输参数S21（s）和反射参数S11（s）的多项式形式 128

6.1.1 ε和εR的关系 133

6.2确定分母多项式E（s）的交替极点方法 133

6.3广义切比雪夫滤波器函数多项式的综合方法 135

6.3.1多项式的综合 136

6.3.2递归技术 139

6.3.3对称与不对称滤波器函数的多项式形式 142

6.4预失真滤波器特性 143

6.4.1预失真滤波器网络综合 146

6.5双通带滤波器变换 149

6.6小结 151

6.7参考文献 151

第7章 电路网络综合方法 152

7.1电路综合方法 153

7.1.1三阶网络的［ABCD］矩阵构造 154

7.1.2网络综合 154

7.2耦合谐振微波带通滤波器的低通原型电路 157

7.2.1变换器电路的［ABCD］多项式综合 158

7.2.2单终端滤波器原型的［ABCD］多项式综合 162

7.3梯形网络的综合 164

7.4 （4-2）不对称滤波器网络综合实例 170

7.5小结 175

7.6参考文献 176

第8章 滤波器网络的耦合矩阵综合 177

8.1耦合矩阵 177

8.1. 1低通和带通原型 178

8.1.2一般NxN耦合矩阵形式的电路分析 179

8.1.3低通原型电路的耦合矩阵构成 181

8.1.4耦合矩阵形式的网络分析 183

8.1.5直接分析 184

8.2耦合矩阵的直接综合 185

8.2.1 NxN耦合矩阵的直接综合 186

8.3耦合矩阵的简化 187

8.3.1相似变换和矩阵元素消元 188

8.4 N+2耦合矩阵的综合 193

8.4.1横向耦合矩阵的综合 193

8.4.2 N+2横向耦合矩阵到规范折叠形矩阵的简化 197

8.4.3实用范例 198

8.5小结 201

8.6参考文献 201

第9章 折叠耦合矩阵的拓扑重构 203

9.1双模滤波器的对称实现 203

9.1.1六阶滤波器 205

9.1.2八阶滤波器 205

9.1.3十阶滤波器 206

9.1.4十二阶滤波器 206

9.2对称响应的不对称实现 207

9.3 Ptzenmaier结构 208

9.4级联四角元件——八阶及以上级联的两个四角元件 210

9.5并联二端口网络 212

9.5. 1偶模和奇模耦合子矩阵 214

9.6闭端形拓扑结构 215

9.6.1闭端形拓扑的扩展形式 218

9.6.2灵敏度分析 221

9.7小结 222

9.8参考文献 222

第10章 提取极点和三角元件的综合与应用 223

10.1提取极点滤波器的综合 223

10.1.1提取极点元件的综合 223

10.1.2提取极点综合实例 226

10.1.3提取极点滤波器网络的分析 229

10.1.4直接耦合提取极点滤波器 229

10.2带阻滤波器的提取极点综合方法 234

10.2.1直接耦合带阻滤波器 235

10.3三角元件 239

10.3.1三角元件的电路综合方法 239

10.3.2级联三角元件——耦合矩阵方法 243

10.3.3基于三角元件的高级电路综合方法 248

10.4盒形和扩展盒形结构 253

10.4. 1盒形拓扑结构 253

10.4.2扩展盒形拓扑结构 256

10.5小结 259

10.6参考文献 260

第11章 微波谐振器 261

11.1微波谐振器结构 261

11.2谐振频率计算 263

11.2.1常规传输线谐振器的谐振频率 263

11.2.2计算谐振频率的横向谐振方法 264

11.2.3任意外形谐振器的谐振频率 265

11.3谐振器的无载Q值 267

11.3.1常规谐振器的无载Q值 268

11.3.2任意外形谐振器的无载Q值 270

11.4有载和无载Q值的测量 270

11.5小结 275

11.6参考文献 275

第12章 波导与同轴低通滤波器 277

12.1公比线元件 277

12.2低通原型传输多项式 278

12.2.1第二类切比雪夫多项式 278

12.2.2 Achieser-Zolotarev函数 280

12.3分布阶梯阻抗低通滤波器的综合实现 282

12.3.1ω平面到θ平面的传输函数S21的映射 282

12.3.2阶梯阻抗低通原型电路的综合 284

12.3.3实现 286

12.4短阶变换器 289

12.5混合集总/分布参数低通滤波器的综合与实现 291

12.5.1传输和反射多项式的构成 291

12.5.2皱折低通原型电路综合 293

12. 5.3应用 295

12.6小结 301

12.7参考文献 301

第13章 单模和双模波导滤波器 303

13.1滤波器综合过程 303

13.2滤波器函数设计 304

13.2. 1幅度优化 304

13.2.2抑制优化 304

13.2.3群时延优化 306

13.3微波滤波器网络的实现与分析 309

13.4双模滤波器 314

13.4. 1虚拟负耦合 314

13.5耦合符号修正 315

13.6典型耦合矩阵拓扑的双模实现 316

13.6.1折叠形拓扑 317

13.6.2 Pfitzenmaier拓扑 318

13.6.3传递形拓扑 318

13.6.4级联四角元件 319

13.6.5扩展盒形拓扑 319

13.7相位直接耦合提取极点滤波器 321

13.8全感性双模滤波器 322

13.8.1等效电路综合 323

13.9小结 324

13.10参考文献 325

第14章 耦合谐振滤波器的结构与设计 326

14.1切比雪夫带通滤波器的电路模型 327

14.2谐振器间耦合计算 331

14.2.1电壁与磁壁的对称性应用 331

14.2.2利用S参数计算谐振器间耦合 332

14.3输入/输出耦合计算 333

14.3.1频域法 333

14.3.2群时延法 334

14.4耦合矩阵模型的介质谐振滤波器设计实例 334

14.4.1介质谐振器腔体结构计算 336

14.4.2谐振器间耦合膜片尺寸计算 336

14.4.3输入/输出耦合的计算 338

14.5阻抗变换器模型的波导膜片滤波器设计实例 339

14. 6 J导纳变换器模型的微带滤波器设计实例 341

14.7小结 345

14.8参考文献 346

第15章 微波滤波器高级电磁设计方法 347

15.1电磁综合方法 347

15.2电磁优化方法 347

15.2.1电磁仿真器优化法 348

15.2.2半电磁仿真器优化法 349

15.2.3自适应频率采样电磁仿真优化法 350

15.2.4电磁神经网络模型优化法 351

15.2.5电磁多维柯西优化法 354

15.2.6电磁模糊逻辑优化法 355

15.3高级电磁设计方法 355

15.3.1空间映射法 355

15.3.2修正粗糙模型法 362

15.3.3滤波器设计的广义修正粗糙模型法 365

15.4小结 368

15.5参考文献 369

第16章 介质谐振滤波器 371

16.1介质谐振器的谐振频率计算 371

16.2介质谐振器的精确分析 374

16.2.1介质谐振器的模式图 374

16.3介质谐振滤波器的结构 376

16.4介质谐振滤波器设计中的考虑 377

16.4.1滤波器可达到的Q值 377

16.4.2介质谐振滤波器的谐波性能 378

16. 4.3温度漂移 379

16. 4.4功率容量 379

16.5其他介质谐振器结构 379

16.6低温介质谐振滤波器 381

16.7混合介质/超导滤波器 382

16.8小结 384

16.9参考文献 384

第17章 全通相位与群时延均衡器网络 386

17.1全通网络的特性 386

17.2集总元件的全通网络 387

17.2.1纯阻性终端负载的对称栅格网络 388

17. 2.2网络实现 389

17.3微波全通网络 391

17.4全通网络的物理实现 394

17.4.1传输型均衡器 394

17.4.2反射型全通网络 394

17.5反射型全通网络的综合 395

17.6实际窄带反射型全通网络 397

17. 6.1 C类波导结构全通均衡器 397

17. 6. 2 D类波导结构全通均衡器 398

17.6.3窄带TEM电抗网络 398

17.7全通网络的优化准则 399

17.8损耗的影响 401

17.8.1集总参数一阶全通均衡器的损耗 401

17.8.2集总参数二阶全通均衡器的损耗 402

17.8.3分布参数全通网络的损耗影响 402

17.9均衡器的折中设计 403

17.10小结 403

17.11参考文献 404

第18章 多工器理论与设计 405

18.1背景 405

18.2多工器构造 406

18. 2.1混合电桥耦合法 406

18. 2.2环形器耦合法 407

18.2.3定向滤波法 407

18.2.4多枝节耦合法 408

18.3射频信道器（多工器） 409

18.3.1混合电桥分支网络 409

18.3.2环形器耦合多工器 410

18.3.3路径失真 411

18.4射频合路器 413

18.4.1环形器耦合多工器 414

18.4.2混合电桥耦合滤波合路模块多工器 414

18.4.3定向滤波合路器 417

18.4. 4多枝节多工器 417

18.5收发双工器 428

18.5.1收发双工滤波器的内部电压 430

18.6小结 432

18.7参考文献 433

第19章 微波滤波器计算机辅助诊断与调试 435

19.1耦合谐振滤波器的逐阶调试 435

19.2基于电路模型参数提取的计算机辅助调试 440

19.3基于输入反射系数极点和零点的计算机辅助调试 443

19.4时域调试 445

19.4.1谐振器频率的时域调试 446

19.4.2谐振器间耦合的时域调试 447

19.4.3“黄金”滤波器的时域响应 448

19.5基于模糊逻辑技术的滤波器调试方法 448

19.5.1模糊逻辑系统描述 449

19.5.2建立模糊逻辑系统的步骤 450

19.5.3布尔逻辑和模糊逻辑的比较 452

19.5.4滤波器调试中的模糊逻辑应用 454

19.6滤波器自动调试装置 456

19.7小结 457

19.8参考文献 457

第20章 微波滤波器网络的高功率因素 460

20.1背景 460

20.2无线系统中的高功率要求 460

20. 3高功率放大器 461

20. 4高功率击穿现象 461

20.4.1气体击穿现象 462

20.4.2平均自由路径 462

20.4.3扩散 462

20.4.4吸附效应 463

20.4.5空气击穿电场强度 463

20.4. 6临界气压 464

20.4.7波导和同轴传输线的功率等级 464

20.4.8降额系数 465

20.4.9功率等级的热耗散影响 465

20.5高功率带通滤波器 466

20.5.1带通滤波器的热耗限制 467

20.5.2带通滤波器的电压击穿限制 467

20.5.3滤波器原型网络 468

20.5.4集总到分布变换 468

20.5.5原型网络的谐振器电压 469

20.5.6有限元法仿真与验证实例 469

20.5.7多工器中的高电压 471

20.6二次电子倍增击穿 471

20.6.1真空环境条件 471

20.6.2施加的射频电压 471

20.6.3 f x d乘积 472

20.6.4材料的表面条件 473

20.6.5二次电子倍增的检测与预防 473

20.6.6二次电子倍增的设计余量 473

20.6.7二次电子倍增击穿电平 475

20.7高功率器件的无源互调因素 476

20.7.1无源互调的测量 477

20.7.2无源互调的控制准则 478

20.8小结 479

20.9参考文献 479

附录A物理常数 481

附录B金属导电率 482

附录C材料的介电常数和损耗角正切 483

附录D矩形波导定义 484

索引 485