《用于通信系统的微波滤波器：基础知识、设计和应用，第二版》

《Microwave Filters for Communication Systems: Fundamentals, Design, and Applications，2nd》

本书帮助您深入了解微波滤波器设计、实施和优化的最新技术；

经过彻底修订和扩展，流行参考书的第二版解决了自第一版出版以来该领域发生的许多重要进展，包括有关多频带滤波器、可调谐滤波器的新章节以及专门讨论实际考虑因素和示例的章节。

无线通信系统发展的主要限制之一是可用频谱的稀缺，因此频谱成为需要明智共享和最佳利用的主要资源。 这种基本限制以及大气条件和干扰长期以来一直是信号处理和滤波器网络领域深入研究和开发的驱动力，这两种技术控制给定频谱的信息容量。 《通信系统微波滤波器》由在该领域拥有百年工业和学术经验的杰出专家所撰写；其特色如下：

Ø 提供对微波滤波器的系统要求和约束的连贯且易于理解的描述；

Ø 涵盖微波滤波器的理论和设计的基本考虑因素以及使用电磁技术来分析和优化滤波器结构；

Ø 关于多频带滤波器和可调谐滤波器的章节涉及无线通信系统和灵活的卫星有效载荷和新兴市场的应用分析；

Ø 专门介绍现实世界示例和练习的章节，允许读者测试和微调他们对各章所涵盖材料的掌握，实际上它提供了开发软件实验室、分析、设计和执行系统电平权衡的路线图，包括针对实际应用的微波滤波器和多路复用器的基于电磁的容差和灵敏度分析。

《用于通信系统的微波滤波器》一书为学生和从业人员提供了实用微波滤波器的理论基础及其使用最先进的基于电磁技术的物理实现的坚实基础。

本书作者关于本书内容的前言

第二版书籍引入了三个新章节。 添加了有关多频带滤波器和可调谐滤波器的章节，以反映无线系统的新兴市场。 第三章专门讨论微波滤波器和复用网络的设计和实现的实际问题。 第一版的章节经过了彻底的审查和细微的修改。 第 1、6、8、16 和 20 章中添加了新的章节内容。本书从一个简单的通信系统模型开始。 它解决了以下问题：（i）无线通信系统的可用带宽是否存在限制，（ii） 通信系统在可用带宽中传输信息的限制是什么，以及（iii）无线通信系统的成本敏感参数是什么。 然后解决每个问题，以了解各种系统参数，重点是滤波器网络在通信系统不同部分中的作用和要求。 这为解决基于电路理论近似的滤波器设计基础知识奠定了基础。 它继续描述经典滤波器器。 接下来是计算机辅助技术的发展，以生成一类通用的原型滤波器函数，表现出对称或不对称的频率响应。 这一通用公式是通过在低通原型滤波器设计中加入假设的频率不变电抗 (FIR) 元件来实现的。 FIR 元件表现为实际带通或带阻滤波器中谐振电路的频率偏移。 FIR 元件的缺失代表了产生对称频率响应的经典滤波器功能。

根据滤波器函数的一般公式，描述了实现滤波器网络的等效集总参数电路模型的综合技术。 综合过程的下一步是将滤波器的电路模型转换为其等效微波结构。 作为第一个近似，这可以通过利用将电路模型与微波滤波器所用结构的物理尺寸和特性相关联的大量现有数据来实现。 为了更准确地确定物理尺寸，本书描述了基于现代电磁 (EM) 的技术和工具，以近乎任意的精度确定滤波器尺寸。 这些知识在具有任意带宽和信道分离的复用网络的设计中得以体现。

本书有单独的章节专门讨论滤波器设计中的计算机辅助调谐和高功率设计注意事项。 我们的目标是让读者对滤波器的要求和设计有一个广泛的了解，并有足够的深度来跟踪该领域的不断进步。 整本书都强调滤波器设计的基础知识和实际考虑。 本书的显着特点包括：

（i）滤波器设计中的系统考虑因素，（ii）包括 FIR 元件在内的滤波器函数的一般公式和综合，（iii）低通原型滤波器在各种拓扑结构的综合技术，(iv) 应用电磁技术来优化微波滤波器结构的物理尺寸，(v) 各种多路复用器配置的设计和权衡， (vi) 计算机辅助滤波器调谐技术，以及 (vii) 地面和空间应用的考虑高功率 因素。

本书内容分为 23 章：

• 第 1 章专门概述通信系统，更具体地说是通信信道与系统其他元素之间的关系。 此处的目的是为读者提供足够的背景知识，使其能够了解射频 (RF) 滤波器在通信系统中的关键作用和要求。 在第二版书籍中，数字传输、信道化器部分、频率规划和微波滤波器技术的局限性均已修订。 并修改了有关蜂窝系统射频滤波器的部分，以反映额外频段的要求，以满足无线服务的爆炸性增长。 新版本书籍添加了有关超宽带 (UWB) 无线通信的部分。 本章末尾的摘要已被修改以反映这些变化。

• 第2 章解释了统一通信理论和电路理论近似的原理。它强调了我们在分析电气网络时理所当然认为的频率分析方法的基本假设。

• 第3 章描述了特征多项式的综合，以实现经典的最大平坦滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆函数低通原型滤波器。 其中讨论了 FIR 元素及其包含的内容，以生成具有不对称频率响应的滤波器函数。 这导致具有复系数的传递函数多项式（具有某些限制），与更熟悉的具有有理系数和实系数的特征多项式截然不同。 这为分析低通原型域中最一般类别的滤波器函数提供了基础，包括最小和非最小相位滤波器，表现出对称或不对称的频率响应。

 • 第4 章介绍了使用计算机辅助优化技术合成具有任意幅度响应的低通原型滤波器的特征多项式。 关键在于确保优化过程高效。 这是通过分析确定目标函数的梯度并将其直接链接到所需的幅度响应形状来实现的。 它包括呈现对称或不对称频率响应的最小相位和非最小相位滤波器。 为了证明该方法的灵活性，提供了一些非常规滤波器的示例。

 • 第5 章回顾了多端口微波网络分析中使用的基本概念。 这些概念对于滤波器设计者来说非常重要，因为任何滤波器或多路复用器都可以分为连接在一起的较小的二端口、三端口或 N 端口网络。 描述了微波网络的五种矩阵表示，即[Z]、[lY]、[ABCD]、[S]和[T]矩阵。 这些矩阵是可互换的，其中任何矩阵的元素都可以用其他四个矩阵的元素来编写。 熟悉这些矩阵的概念对于理解本书中提供的材料至关重要。

• 第6 章首先回顾了一些与滤波器网络综合相关的重要散射参数关系。 接下来讨论一般类型的切比雪夫函数及其在为具有任意传输零分布的滤波器特性的等波纹类生成传输和反射多项式中的应用。 在本章的最后部分，讨论了预失真和双频带滤波功能的特殊情况。 – 第二版增加了两个功能：查找广义切比雪夫原型滤波器带内反射最大值和带外传输最大值位置的部分以及扩展双端口 S 参数分析和合成具有复杂终端的多端口网络。 添加了一个部分来描述特征多项式、S 参数、短路导纳和 [ABCD] 传输矩阵参数之间的关系。

 • 第7 章介绍了基于[ABCD] 矩阵的滤波器合成。 合成过程分为两个阶段。 第一级涉及集总元件无损电感器、电容器和 FIR 元件。 第二级包括导抗反相器。 使用这种逆变器允许原型电路采用适合于用互连微波谐振器实现的形式。 该技术适用于合成具有对称或不对称响应、阶梯形式以及交叉耦合拓扑的低通原型滤波器。 并引入了进一步的知识概括以允许合成单端接滤波器。

本章描述的综合过程代表了综合集总元件、低通原型滤波器网络的最通用技术。 • 第8 章介绍了用于合成带通原型滤波器的N × N 耦合矩阵的概念。 通过包含 FIR 元素对该过程进行了修改，以允许合成不对称滤波器响应。 然后通过分离出 N × N 矩阵的纯电阻部分和纯电抗部分，将该过程扩展到 N +2 耦合矩阵。 除了如 N × N 耦合矩阵中设想的到第一个和最后一个谐振器的主输入/输出耦合之外，N +2 耦合矩阵还允许关于输入和输出端口的多个耦合。 这允许合成完全规范的滤波器，并简化相似变换的过程以实现其他滤波器拓扑。该合成过程产生具有所有耦合的有限条目的通用耦合矩阵。 该过程的下一步是导出具有最少耦合数量的拓扑，称为规范形式。 这是通过对耦合矩阵应用相似变换来实现的。 这种变换保留了矩阵的特征值和特征向量，从而确保所需的滤波器响应保持不变。 这种合成技术有两个主要优点。 一是一旦合成了具有所有允许耦合的通用耦合矩阵，就可以对耦合矩阵进行矩阵运算以实现各种滤波器拓扑。 第二个优点是耦合矩阵代表了实际的带通滤波器拓扑。 因此，可以唯一地识别实际滤波器的每个元件，包括其Q值、色散特性和灵敏度。 这样可以更准确地确定实际的滤波器特性，并深入了解优化滤波器性能的方法。 – 在第二版中，添加了两个新部分：(i) 具有复端口的网络的 N+2 耦合矩阵综合和 (ii) 偶模和奇模耦合矩阵综合技术：折叠晶格阵列等。

• 第9 章开发了相似变换方法，以实现适合双模滤波器网络的各种拓扑。 双模滤波器利用两个正交偏振简并模式，由单个物理谐振器（无论是空腔、介质还是平面结构）支持，从而显著减小滤波器的尺寸。 除了纵向和折叠配置外，还包括称为级联四重奏滤波器（cascade quartets and cul de sac filters）的结构。 本章最后给出了示例并讨论了各种双模滤波器拓扑的灵敏度。

• 在第10 章中，我们介绍了两个不寻常的电路部分：提取极点部分和三等分部分。 这些部分均能够实现一次传输零点。 它们可以与滤波器网络中的其他电路元件级联。 这些部分的应用扩展了实现微波滤波器的拓扑范围。 这通过合成包括级联四重奏、五重奏和六重奏滤波器拓扑的滤波器来证明。

最后，解释了盒（Box）部分的综合及其衍生的扩展盒（Box）配置。 文中的例子是为了说明该合成过程的复杂性。

 • 第11 章描述了评估微波谐振器的谐振频率和空载Q 因子的理论和实验技术。谐振器是任何带通滤波器的基本构建块。 在微波频率下，谐振器可以采用多种形状和形式。 本章包括计算任意形状谐振器谐振频率的两种方法：本征模分析和 S 参数分析。 给出的示例说明了使用基于 EM 的商业软件工具（例如高频系统模拟器 (HFSS)）来实现这两种技术。 它还包括使用矢量网络分析仪的极坐标显示或标量网络分析仪的线性显示来测量加载和卸载 Q 值的分步过程。

• 第12 章讨论了实现微波频率低通滤波器的综合技术。 通信系统中低通滤波器的典型带宽要求在千兆赫范围内。 因此，基于集总元件的原型模型不适合在微波频率下实现。 它需要对原型滤波器使用分布式元素。 本章首先描述相应的线路元件及其对实现分布式低通原型滤波器的适用性。 然后讨论最适合对实际低通滤波器进行建模的特征多项式以及生成此类多项式的方法。 接下来是阶跃阻抗和集总/分布式低通滤波器的合成技术的详细描述。

• 第13 章讨论双模带通滤波器的实际设计问题。 它包括使用在主模式以及高阶传播模式下运行的双模谐振器。 包括各种示例来说明设计过程。 这些示例包括纵向和规范配置、扩展盒设计、提取极点滤波器以及具有所有电感耦合的滤波器。这些示例还包括对称和非对称响应滤波器。 描述了同时优化双模线性相位滤波器的幅度和群延迟响应所涉及的步骤。 本章中的示例涵盖了第 3 章至第 11 章中描述的分析和综合技术。

• 第14 章介绍了如何使用电磁仿真器工具来设计微波滤波器。 展示了如何将滤波器电路模型与电磁仿真工具结合起来，以近乎任意的精度合成微波滤波器的物理尺寸。 此类计算的起点通常是从滤波器的最佳电路模型得出的物理尺寸。 描述了通过使用市售的 EM 模拟器软件以更高的精度计算输入/输出和谐振器间耦合的方法。 这些技术可适用于直接方法，使用 K 阻抗逆变器或 J 导纳逆变器模型，根据耦合矩阵 [M] 的元素确定滤波器的物理尺寸。 本章给出数值示例，逐步说明该方法在介质谐振器、波导和微带滤波器设计中的应用。 对于不相邻谐振器之间的耦合可以忽略不计的简单几何形状，这种方法可以产生出色的结果。 电磁工具的使用代表了微波滤波器物理实现的重大进步。

• 第15 章介绍了基于EM 的微波滤波器设计的几种技术。 最直接的方法是将精确的电磁仿真工具与优化软件包相结合，然后优化滤波器的物理尺寸以达到所需的性能。 这实际上是一个调整过程，其中调整是由优化包而不是技术人员完成的。 该技术的起点是使用第 14 章中描述的方法获得的滤波器维度。直接优化方法，在没有任何简化假设的情况下，计算量仍然很大。 描述了许多优化策略，包括自适应频率采样、神经网络和多维柯西技术，以减少优化时间。 本章详细描述了两种基于 EM 的先进技术，即空间映射技术 (SM) 和粗略模型技术 (CCM)，可显著减少计算时间。 本章最后给出了通过使用激进空间映射 (ASM) 和 CCM 技术获得的滤波器尺寸的示例。

• 第16 章开发了各种配置的介质谐振器滤波器的设计。 诸如HFSS和CST Microwave Studio之类的商业软件包可以很容易地用于计算任意形状的介质谐振器的谐振频率、场分布和谐振器Q值。 使用此类工具，可以提供模式图表以及绘图，说明介质谐振器中前四种模式的场分布。 它还解决了圆柱形谐振器（包括支撑结构）的谐振频率和空载 Q (Q0) 的计算。 描述了 Q0、杂散响应、温度漂移和功率处理能力方面的权衡。 本章最后详细描述了低温介质谐振器滤波器的设计和权衡。 介电谐振滤波器广泛应用于无线和卫星应用中。 介电材料质量的不断进步很好地表明了该技术的应用不断增长。 – 在第二版中，本章添加了关于微型介质谐振器的新部分，说明了使用传统圆柱形介质谐振器实现四模谐振器的概念。 它还说明了如何使用半切介质谐振器来实现双模滤波器。

• 第17 章涉及全通网络（通常称为均衡器）的分析和综合。 这种外部全通均衡器可以与滤波器级联，以改善滤波器网络的相位和群延迟响应。 本章最后讨论了线性相位滤波器和外部均衡滤波器网络之间的实际权衡。

• 第18 章介绍了针对各种应用的多路复用网络的设计和权衡。 首先讨论了各种类型的多路复用网络之间的权衡，包括采用单模或双模滤波器的循环器耦合、混合耦合和流形耦合多路复用器。 它还包括基于使用定向滤波器的多路复用器。 接下来是每种类型的多路复用器的详细设计注意事项。 深入讨论了迄今为止最复杂的微波网络流形耦合多路复用器的设计方法和优化策略。 其中包含许多示例和照片来说明设计。 本章最后简要讨论了蜂窝应用双工器的高功率功能。

• 第19 章专门介绍用于调谐微波滤波器的计算机辅助技术。 从理论角度来看，微波滤波器的物理尺寸可以使用基于电磁的技术以近乎任意的精度来完善。 在实践中，使用基于 EM 的工具可能非常耗时，对于高阶滤波器和复用网络来说也是如此。 此外，由于制造公差和材料特性的变化，实际的微波滤波器无法复制理论设计。无线和卫星通信系统中的应用的非常严格的性能要求进一步加剧了这些问题。 因此，滤波器调整被认为是重要的后期制作过程。 本章讨论的技术包括（i）耦合谐振器滤波器的顺序调谐，（ii）基于电路模型参数提取的计算机辅助调谐，（iii）使用输入反射系数的极点/零点的计算机辅助调谐，（iv） 时域调整，以及 (v) 模糊逻辑调整。描述了每种技术的相对优点。

• 第20 章概述了地面和空间应用微波滤波器和复用网络设计中的高功率考虑因素。 它基于经典理论和简单的几何结构描述了多重作用和气体放电现象，特别是无限平行板上单载流子运行下的两个表面情况。 它强调了降额因素的重要性，降额因素会严重降低高功率设备的性能。 – 在第二版中，本章深入描述了多重现象。 在大多数实际情况下，高功率射频器件的几何形状很少对应于简单的平行板导体，并且高功率器件必须能够处理多载波。 简单分析被增强，包括使用数值技术的多重压力和气体放电分析。 这些方法允许对包括非均匀场的复杂结构中的单表面和双表面多重作用进行更准确的分析。 尽管更加复杂且计算机密集，但这种分析更接近于考虑高功率器件的复杂几何形状以及具有不同数量的射频载波和调制的典型操作环境。

其中包括对测量射频击穿效应的经典设置的描述。 它强调了应用峰值功率方法和 20 间隙交叉规则的业界公认方法在多载波操作中预测多电容器放电的有效性。 – 本章还提供了在高功率器件设计中最大限度地减少无源互调 (PIM) 的指南。

第 21 章，新增的第 21 章概述了多频带滤波器设计的各种技术，介绍并讨论了双频带和三频带滤波器的几个设计示例。 本章的重点是在同轴、波导和介质谐振器结构中实现的高 Q 多频带滤波器。 它还介绍了多频带滤波器的合成程序的详细信息。 本章还说明了如何使用双频带滤波器来实现微型双工器和多路复用器。

第 22 章， 新增的第 22 章概述了可调谐滤波器技术。 它解决了实现高 Q 可调谐滤波器的主要挑战，其中包括 (i) 在较宽的调谐范围内保持恒定的带宽和合理的回波损耗，(ii) 在较宽的调谐范围内保持恒定的高 Q 值，(iii) ) 调谐元件与 3D 滤波器的集成，以及 (iv) 线性度和功率处理能力。 它包括一种仅使用谐振器的调谐元件在宽调谐范围内实现恒定绝对带宽的方法。 描述了各种调谐元件（半导体、压电电机、MEMS（微机电系统）、BST（钛酸锶钡）和 PCM（相变材料））之间的比较。 本章展示了实现可调谐梳状线、介质谐振器和波导滤波器的各种示例。 本章给出了几个示例，重点关注 MEMS 在此类滤波器设计中的使用。 还提出了实现中心频率和带宽可调的滤波器的技术。

第 23 章， 这个新增一章的标题为“实际考虑因素和设计实例”，旨在弥合微波滤波器和复用网络的理论与实际实现之间的差距。 本章的一个主要特点是西班牙巴伦西亚理工大学的 Vicente Boria 和 Santiago Cogollos 教授作为共同作者的参与。 本章包含一系列示例，重点介绍了设计和执行实际滤波器和多路复用器权衡的方法。 这提供了一个框架来分析和优化通信系统中的滤波要求，利用这些信息进行滤波器的设计权衡； 考虑到典型的操作环境（陆地或太空）、技术限制和制造限制； 开发滤波器拓扑的电路和准分布式模型； 最后使用电磁技术计算滤波器结构的物理尺寸。

本章最后简要概述了滤波器设计中基于电磁的容差和灵敏度分析。 附录 E 添加了关于阻抗和导纳逆变器的新附录。 本附录描述了滤波器设计中逆变器应用的简单公式。

 本书面向高年级本科生和研究生以及微波技术从业人员。 在撰写本书时，我们大量借鉴了我们的行业经验，在大学举办研讨会和教学课程，并在各种会议上与广大工程界进行互动。 它反映了作者一生在推进微波滤波器和多路复用网络技术水平方面的经验。