通信系統(tǒng)微波濾波器

前言

　　本書由一個簡單的通信系統(tǒng)模型開始，闡述了以下問題：　　1.無線通信系統(tǒng)中，可用帶寬是否存在限制？　　2.可用帶寬內信息傳輸的限制是什么？　　3.通信系統(tǒng)中，對成本敏感的參數有哪些？本書針對濾波器網絡在通信系統(tǒng)中不同部分的功能與要求，對上述問題進行了討論，以便讀者對不同的系統(tǒng)參數有所了解。接下來討論了用于產生對稱和不對稱頻率響應的廣義低通原型濾波器函數的計算機輔助設計技術。通過引入一個假想的不隨頻率變化的電抗元件，得到了低通原型濾波器設計的基本公式。在實際帶通和帶阻濾波器中，不隨頻率變化的電抗元件表征諧振電路的頻率偏移。缺少不隨頻率變化的電抗元件的經典濾波器函數，將產生對稱的頻率響應。根據濾波器函數的基本公式推導出的綜合方法，可用于實現濾波器網絡的等效集總參數模型。接下來的綜合步驟將濾波器的電路模型轉化為等效的微波結構。一般來說，運用眾多現有的電路模型參數可以近似實現微波濾波器的物理結構參數。為了得到更加精確的物理尺寸，本書論述了運用基于現代電磁技術的方法和工具，可以任意精度確定濾波器的尺寸。相關理論將通過任意帶寬和信道隔離的多工網絡的設計來展示。其余一些章節(jié)主要討論了計算機輔助調試和濾波器設計中的高功率因素。本書的目的是使讀者對濾波器的要求和設計有一個全面的了解，并且對該領域中陸續(xù)出現的一些高級方法有足夠的認識。本書通篇強調了在濾波器設計中的基本理論和實際影響因素。本書特色如下：　　1.濾波器設計中系統(tǒng)的影響因素。　　2.包含不隨頻率變化的電抗元件的濾波器函數的基本公式和綜合方法。　　3.在大部分拓撲結構中，包含對稱或不對稱頻率響應的廣義低通原型濾波器的綜合方法。　　4.應用基于電磁技術的方法來優(yōu)化設計微波濾波器的物理結構尺寸。　　5.各種多工器結構的設計方法和折中方案。　　6.濾波器輔助調試技術。　　7.地面和太空應用中濾波器的高功率影響因素。本書內容分為20章，具體內容分述如下?！　〉?章主要回顧了通信系統(tǒng)，特別是通信通道和系統(tǒng)中其他部分的關系。本章主要目的是給讀者提供足夠的背景知識，以便于他們理解濾波器在通信系統(tǒng)中的關鍵作用和要求。　　第2章主要介紹了通信理論和一些電路理論，重點強調了在電路網絡分析中我們比較熟悉的頻率分析方法?！　〉?章論述了經典最大平坦、切比雪夫、橢圓函數等低通原型濾波器特征多項式的綜合方法。本章對不隨頻率變化的電抗元件進行了論述，并通過運用它們產生不對稱的頻率響應，得出了一些結論。其中傳輸函數多項式包含復系數（在一些限制條件下），這與我們熟悉的有理實系數特征多項式有著明顯的不同，從而為分析大部分低通原型域中的基本濾波器函數，如最小相位和非最小相位濾波器，對稱或不對稱頻率響應的濾波器提供了基礎?！　〉?章介紹了運用計算機輔助優(yōu)化技術綜合任意幅度響應的低通原型濾波器特征函數的方法。該方法關鍵是要確保優(yōu)化過程的有效收斂，這主要是通過確立目標函數的解析梯度和建立與理想幅度響應的直接關系來實現的。它也適用于對稱或不對稱頻率響應的最小相位和非最小相位濾波器。為了說明該方法的靈活性和有效性，本章給出了一些非常規(guī)濾波器的設計實例?！　〉?章回顧了一些在多端口微波網絡分析中用到的基本概念。由于任意濾波器或多工器能夠被分成小的二端口、三端口或N端口的級聯(lián)形式，因此這些概念對于濾波器設計人員來說非常重要。接下來介紹了微波網絡的5種矩陣表示形式，分別為\[Z\]，\[Y\]，\[ABCD\]，\[S\]和\[T\]矩陣。這些矩陣都是可以相互轉化的，即任意一個矩陣的元件可以用其他的矩陣元件表示。熟悉這些矩陣的概念對于理解本書的內容來說是極為重要的?！　〉?章開篇復習了在濾波器網絡設計中相關的一些重要散射參數關系。接著討論了廣義切比雪夫函數及其在產生傳輸和反射多項式中的應用，這些多項式可以用來綜合含有任意傳輸零點的等波紋濾波器。本章最后主要討論了預失真和雙通帶濾波器函數?！　〉?章介紹了基于\[ABCD\]矩陣的濾波器綜合方法。綜合步驟分為兩步。首先是確定無耗的集總元件電容、電感和不隨頻率變化的電抗元件的值，然后確定導納變換器的值。應用這些變換器，使原型電路可以用一種相互耦合的微波諧振器結構來實現。使用這種方法綜合出的對稱和不對稱頻率響應的低通原型濾波器，其拓撲不僅是梯形的，而且還含有交叉耦合。這一方法可以推廣到單終端濾波器的綜合。本章中介紹的綜合過程是一種普適的技術，可以應用到集總低通原型濾波器網絡的綜合?！　〉?章介紹了帶通濾波器綜合的N×N型耦合矩陣的概念。通過加入不隨頻率變化的電抗元件，綜合方法經過修正后，也可以用來綜合不對稱的濾波器響應。然后，從N×N耦合矩陣分離出純阻性和純電抗性部分，可以將該設計過程拓展到N＋2型耦合矩陣。N＋2型耦合矩陣除了包含輸入端與第一個諧振器的耦合，輸出端與最后一個諧振器的耦合之外，還包含輸入和輸出端與其他諧振器的所有耦合，輸入和輸出直接耦合的情形。這種方法可以用來綜合全規(guī)范型濾波器，并且簡化了到其他拓撲結構的相似變換過程。以上綜合過程產生的基本耦合矩陣，其所有耦合都位于限定位。

內容概要

　　本書是微波濾波器設計領域的權威著作，前兩章介紹了通信系統(tǒng)的基本概念與理論；第3章至第7章敘述了各類濾波器傳輸函數及其電路網絡綜合方法；第8章至第10章詳細說明了濾波器基本耦合矩陣理論及相關拓撲結構的綜合方法與應用；第11章和第16章介紹了各類微波諧振器的理論與應用；第12章、第17章和第18章給出了微波低通濾波器，自均衡全通網絡的濾波器的綜合及多工器的設計與實現；第13章討論了雙模濾波器函數的優(yōu)化及其波導結構應用；第14章和第15章介紹了電磁仿真軟件在微波濾波器上的應用，并給出了多種工程優(yōu)化實例；第19章介紹了計算機輔助調試的基本理論與應用；最后一章專門論述了高功率微波濾波器的設計與應用中的關鍵影響因素，針對復雜的無源互調問題進行了系統(tǒng)性的分析，并提出了解決方案。

作者簡介

卡梅倫，COM
DEV公司歐洲分部前技術總監(jiān)，英國利茲大學客座教授，IEE和IEEE會士。 庫德賽，加拿大滑鐵盧大學教授，IEEE會士，COM
DEV國際公司前研發(fā)總監(jiān)。 曼索，加拿大滑鐵盧大學兼職教授，IEEE，AIAA和EIC會士，COM
DEV空間集團前首席科學家。

書籍目錄

第1章 射頻濾波器——無線通信網絡系統(tǒng)概論
1.1 通信系統(tǒng)模型
1.1.1 通信系統(tǒng)的組成
1.2 無線頻譜及其應用
1.2.1 微波頻率下的無線傳播
1.2.2 作為自然資源的無線頻譜
1.3 信息論的概念
1.4 通信信道與鏈路預算
1.4.1 通信鏈路中的信號功率
1.4.2 發(fā)射天線與接收天線
1.5 通信系統(tǒng)中的噪聲
1.5.1 鄰近同極化信道干擾
1.5.2 鄰近交叉極化信道干擾
1.5.3 多路徑干擾
1.5.4 熱噪聲
1.5.5 級聯(lián)網絡中的噪聲
1.5.6 互調噪聲
1.5.7 非理想信道的失真
1.5.8 射頻鏈路設計
1.6 通信系統(tǒng)中的調制和解調方案
1.6.1 幅度調制
1.6.2 基帶信號的組成
1.6.3 角調制信號
1.6.4 頻率調制系統(tǒng)和幅度調制系統(tǒng)的對比
1.7 數字傳輸
1.7.1 抽樣
1.7.2 量化
1.7.3 脈沖編碼調制系統(tǒng)
1.7.4 脈沖編碼調制系統(tǒng)的量化噪聲
1.7.5 二進制傳輸中的誤碼率
1.7.6 數字調制和解調方案
1.7.7 高級調制方案
1.7.8 服務質量和信噪比
1.8 衛(wèi)星系統(tǒng)的通信信道
1.8.1 接收部分
1.8.2 信道器部分
1.8.3 高功率放大器
1.8.4 發(fā)射機部分的架構
1.9 蜂窩系統(tǒng)中的射頻濾波器
1.10 系統(tǒng)需求對射頻濾波器指標的影響
1.11 衛(wèi)星和蜂窩通信對濾波器技術的影響
1.12 小結
1.13 參考文獻
附錄1A 互調失真小結
第2章 電路理論基礎——近似法
2.1 線性系統(tǒng)
2.1.1 線性的概念
2.2 系統(tǒng)的分類
2.2.1 時變系統(tǒng)和時不變系統(tǒng)
2.2.2 集總參數系統(tǒng)和分布參數系統(tǒng)
2.2.3 即時系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)
2.2.4 模擬系統(tǒng)和數字系統(tǒng)
2.3 電路理論的歷史演化
2.3.1 電路元件
2.4 線性系統(tǒng)在時域中的網絡方程
2.5 頻域指數驅動函數的線性系統(tǒng)網絡方程
2.5.1 復頻率變量
2.5.2 傳輸函數
2.5.3 連續(xù)指數的信號表示
2.5.4 電路網絡的傳輸函數
2.6 線性系統(tǒng)對正弦激勵的穩(wěn)態(tài)響應
2.7 電路理論近似法
2.8 小結
2.9 參考文獻
第3章 無耗低通原型濾波器函數特性
3.1 理想濾波器
3.1.1 無失真?zhèn)鬏?br />3.1.2 二端口網絡的最大傳輸功率
3.2 雙終端無耗低通原型濾波器網絡的多項式函數特性
3.2.1 反射和傳輸系數
3.2.2 特征多項式的歸一化
3.3 理想低通原型網絡的特征多項式
3.4 低通原型的特性
3.4.1 幅度響應
3.4.2 相位響應
3.4.3 相位的線性度
3.5 不同響應波形的特征多項式
3.5.1 全極點原型濾波器函數
3.5.2 包含有限傳輸零點的原型濾波器函數
3.6 經典原型濾波器
3.6.1 最大平坦濾波器
3.6.2 切比雪夫濾波器
3.6.3 橢圓函數濾波器
3.6.4 奇數階橢圓函數濾波器
3.6.5 偶數階橢圓函數濾波器
3.6.6 包含傳輸零點和最大平坦通帶的濾波器
3.6.7 線性相位濾波器
3.6.8 最大平坦、切比雪夫和橢圓函數濾波器的比較
3.7 通用設計表（UDC）
3.7.1 波紋因子
3.8 低通原型電路結構
3.8.1 原型網絡的變換
3.8.2 變換后的濾波器頻率響應
3.9 濾波器的損耗影響
3.9.1 損耗因子δ與品質因數Q0的關系
3.9.2 低通和高通濾波器的等效δ
3.9.3 帶通和帶阻濾波器的等效δ
3.10 不對稱響應濾波器
3.10.1 正函數
3.11 小結
3.12 參考文獻
附錄3A 通用設計表
第4章 特征多項式的計算機輔助綜合
4.1 對稱低通原型濾波器網絡的目標函數和約束條件
4.2 目標函數的解析梯度
4.2.1 無約束目標函數的梯度
4.2.2 不等式約束條件的梯度
4.2.3 等式約束條件的梯度
4.3 經典濾波器的優(yōu)化準則
4.3.1 切比雪夫函數濾波器
4.3.2 反切比雪夫濾波器
4.3.3 橢圓函數濾波器
4.4 新型濾波器函數的生成
4.4.1 等波紋通帶和阻帶
4.4.2 非等波紋阻帶和等波紋通帶
4.5 不對稱濾波器
4.5.1 切比雪夫通帶的不對稱濾波器
4.5.2 任意響應的不對稱濾波器
4.6 線性相位濾波器
4.7 濾波器函數的關鍵頻率
4.8 小結
4.9 參考文獻
附錄4A 一個特殊的八階濾波器的關鍵頻率
第5章 多端口微波網絡的分析
5.1 二端口網絡的矩陣表示法
5.1.1 阻抗矩陣［Z］和導納矩陣［Y］
5.1.2 ［ABCD］矩陣
5.1.3 散射矩陣［S］
5.1.4 傳輸矩陣［T］
5.1.5 二端口網絡的分析
5.2 兩個網絡的級聯(lián)
5.3 多端口網絡
5.4 多端口網絡的分析
5.5 小結
5?6 參考文獻
第6章 廣義切比雪夫濾波器函數的綜合
6.1 二端口網絡傳輸參數S21(s)和反射參數S11(s)的多項式形式
6.1.1 ε和εR的關系
6.2 確定分母多項式E(s)的交替極點方法
6.3 廣義切比雪夫濾波器函數多項式的綜合方法
6.3.1 多項式的綜合
6.3.2 遞歸技術
6.3.3 對稱與不對稱濾波器函數的多項式形式
６.4 預失真濾波器特性
6.4.1 預失真濾波器網絡綜合
6.5 雙通帶濾波器變換
6.6 小結
6.7 參考文獻
第7章 電路網絡綜合方法
7.1 電路綜合方法
7.1.1 三階網絡的［ABCD］矩陣構造
7.1.2 網絡綜合
7.2 耦合諧振微波帶通濾波器的低通原型電路
7.2.1 變換器電路的［ABCD］多項式綜合
7.2.2 單終端濾波器原型的［ABCD］多項式綜合
7.3 梯形網絡的綜合
7.4 (4?2)不對稱濾波器網絡綜合實例
7.5 小結
7.6 參考文獻
第8章 濾波器網絡的耦合矩陣綜合
8.1 耦合矩陣
8.1.1 低通和帶通原型
8.1.2 一般N×N耦合矩陣形式的電路分析
8.1.3 低通原型電路的耦合矩陣構成
8.1.4 耦合矩陣形式的網絡分析
8.1.5 直接分析
8.2 耦合矩陣的直接綜合
8.2.1 N×N耦合矩陣的直接綜合
8.3 耦合矩陣的簡化
8.3.1 相似變換和矩陣元素消元
8.4 N+2耦合矩陣的綜合
8.4.1 橫向耦合矩陣的綜合
8.4.2 N+2橫向耦合矩陣到規(guī)范折疊形矩陣的簡化
8.4.3 實用范例
8.5 小結
8.6 參考文獻
第9章 折疊耦合矩陣的拓撲重構
9.1 雙模濾波器的對稱實現
9.1.1 六階濾波器
9.1.2 八階濾波器
9.1.3 十階濾波器
9.1.4 十二階濾波器
9.2 對稱響應的不對稱實現
9.3 Pfitzenmaier結構
9.4 級聯(lián)四角元件——八階及以上級聯(lián)的兩個四角元件
9.5 并聯(lián)二端口網絡
9.5.1 偶模和奇模耦合子矩陣
9.6 閉端形拓撲結構
9.6.1 閉端形拓撲的擴展形式
9.6.2 靈敏度分析
9.7 小結
9.8 參考文獻
第10章 提取極點和三角元件的綜合與應用
10.1 提取極點濾波器的綜合
10.1.1 提取極點元件的綜合
10.1.2 提取極點綜合實例
10.1.3 提取極點濾波器網絡的分析
10.1.4 直接耦合提取極點濾波器
10.2 帶阻濾波器的提取極點綜合方法
10.2.1 直接耦合帶阻濾波器
10.3 三角元件
10.3.1 三角元件的電路綜合方法
10.3.2 級聯(lián)三角元件——耦合矩陣方法
10.3.3 基于三角元件的高級電路綜合方法
10.4 盒形和擴展盒形結構
10.4.1 盒形拓撲結構
10.4.2 擴展盒形拓撲結構
10.5 小結
10.6 參考文獻
第11章 微波諧振器
11.1 微波諧振器結構
11.2 諧振頻率計算
11.2.1 常規(guī)傳輸線諧振器的諧振頻率
11.2.2 計算諧振頻率的橫向諧振方法
11.2.3 任意外形諧振器的諧振頻率
11.3 諧振器的無載Q值
11.3.1 常規(guī)諧振器的無載Q值
11.3.2 任意外形諧振器的無載Q值
11.4 有載和無載Q值的測量
11.5 小結
11.6 參考文獻
第12章 波導與同軸低通濾波器
12.1 公比線元件
12.2 低通原型傳輸多項式
12.2.1 第二類切比雪夫多項式
12.2.2 Achieser?Zolotarev函數
12.3 分布階梯阻抗低通濾波器的綜合實現
12.3.1 ω平面到θ平面的傳輸函數S21的映射
12.3.2 階梯阻抗低通原型電路的綜合
12.3.3 實現
12.4 短階變換器
12.5 混合集總/分布參數低通濾波器的綜合與實現
12.5.1 傳輸和反射多項式的構成
12.5.2 皺折低通原型電路綜合
12.5.3 應用
12.6 小結
12.7 參考文獻
第13章 單模和雙模波導濾波器
13.1 濾波器綜合過程
13.2 濾波器函數設計
13.2.1 幅度優(yōu)化
13.2.2 抑制優(yōu)化
13.2.3 群時延優(yōu)化
13.3 微波濾波器網絡的實現與分析
13.4 雙模濾波器
13.4.1 虛擬負耦合
13.5 耦合符號修正
13.6 典型耦合矩陣拓撲的雙模實現
13.6.1 折疊形拓撲
13.6.2 Pfitzenmaier拓撲
13.6.3 傳遞形拓撲
13.6.4 級聯(lián)四角元件
13.6.5

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