廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中濾波器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)論文

射頻濾波器是用來分離不同頻率射頻信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號，使其不能通過濾波器，而只讓需要的信號通過。在廣播電視發(fā)射天饋線系統(tǒng)中，濾波器是必不可少的設(shè)備。為了對發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的帶外信號進(jìn)行抑制，規(guī)范輸出信號的頻譜，一般在發(fā)射機(jī)的輸出端和天線之間加接輸出濾波器，濾波器還是構(gòu)成多工器必不可少的設(shè)備。
濾波器按頻率的通帶范圍可分為低通、高通、帶通和帶阻四個類型。這四種濾波器在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中都有應(yīng)用，其中以帶通濾波器的應(yīng)用最為廣泛。
濾波器設(shè)計(jì)的基本思路是根據(jù)濾波器的指標(biāo)要求（比如中心頻率、通帶帶寬、通帶損耗、阻帶衰減以及輸入輸出阻抗等），選定低通原型濾波器（常用的有巴特沃斯函數(shù)、切比雪夫函數(shù)和橢圓函數(shù)）及諧振腔的數(shù)目；然后通過頻率變換得到所需濾波器的理論模型；最后通過實(shí)際結(jié)構(gòu)或電路來實(shí)現(xiàn)濾波器。
二、濾波器的典型結(jié)構(gòu)
調(diào)頻和電視的發(fā)射頻率為50MHz860MHz，即VHF和UHF波段，如果在這么高的頻率上用集中參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)濾波功能，那么器件的損耗很大，功率容量受到限制，而且性能不穩(wěn)定，因此，一般情況下，高頻率范圍內(nèi)的濾波器都是用分布電感和分布電容來實(shí)現(xiàn)的。同軸傳輸線和波導(dǎo)是兩種最常用的微波濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
（一）低通濾波器
低通濾波器的典型結(jié)構(gòu)是高、低阻抗傳輸線交替級聯(lián)組成的糖葫蘆式濾波器。它用高阻抗線來等效串聯(lián)電感，用低阻抗線來等效并聯(lián)電容，通過調(diào)整高低阻抗值及其長度可以制造出結(jié)構(gòu)簡單性能優(yōu)良的低通濾波器。
圖1是一個典型的低通濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖2是該結(jié)構(gòu)的等效電路，圖3為該結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。
（二）高通濾波器
高通濾波器的結(jié)構(gòu)是用同軸短路短截線來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感，用墊有聚四氟乙稀的內(nèi)導(dǎo)體圓盤實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容，從而構(gòu)成梯形高通濾波器。圖4為高通濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖5為該結(jié)構(gòu)的等效電路，圖6為其仿真結(jié)果。
（三）帶通濾波器
帶通濾波器是應(yīng)用最為廣泛的濾波器，根據(jù)通帶的相對帶寬分為窄帶帶通和
寬帶帶通兩種，一般相對帶寬小于20%稱為窄帶濾波器，相對帶寬大于40%稱為寬帶濾波器。就廣播電視而言最常用的是窄帶帶通濾波器比如頻道濾波器，窄帶帶通濾波器的典型結(jié)構(gòu)是級聯(lián)式的耦合諧振腔結(jié)構(gòu)。
諧振腔是帶通濾波器最關(guān)鍵的部分。在一定體積內(nèi)能限定電磁能量，其中激勵起微波電磁振蕩的結(jié)構(gòu)，稱為微波諧振腔（microwaveresonatorcavity）。諧振腔的好壞直接決定了濾波器性能的好壞。諧振腔最主要指標(biāo)有諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，諧振頻率就是諧振回路中電磁能量的轉(zhuǎn)換頻率，其大小與回路的形狀及模式有關(guān)；品質(zhì)因數(shù)(Q值)與諧振回路的損耗直接相關(guān)，它是指諧振時系統(tǒng)中存儲的電能或磁能與一周期內(nèi)系統(tǒng)損耗的能量之比的2π倍。諧振腔的Q值越高說明其諧振響應(yīng)曲線越尖銳，一般來說，同軸短路或開路諧振腔的典型無載Q值約為幾千，波導(dǎo)的Q值要明顯高于同軸諧振腔的Q值，圓波導(dǎo)的Q值高于矩形波導(dǎo)的Q值，矩形波導(dǎo)的典型無載Q值一般介于10000～20000，圓波導(dǎo)的典型無載Q值一般介于20000～40000。
常用的諧振腔有同軸諧振腔和波導(dǎo)諧振腔，同軸諧振腔主要用于VHF，F(xiàn)M，UHF頻段，最常用的同軸諧振腔是一端短路一端加載的同軸腔，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中的外導(dǎo)體可以是長方體也可以是圓柱體，內(nèi)導(dǎo)體一般都用圓柱體。腔的諧振頻率取決于同軸線的特性阻抗、內(nèi)導(dǎo)體長度及外導(dǎo)體長度，其功率容量取決于腔體的大小。
波導(dǎo)腔主要用于UHF高端、L波段等微波波段，主要有矩形波導(dǎo)腔和圓柱波導(dǎo)腔兩大類，矩形波導(dǎo)腔就是的一個封閉長方體金屬盒(圖8)，其諧振頻率由腔內(nèi)電磁場的模式及腔體的物理尺寸所決定。圓柱波導(dǎo)腔是直徑D高度為H的封閉圓柱金屬筒(圖9)，它的諧振頻率也是由腔內(nèi)電磁場的模式及腔體的物理尺寸所決定。
將諧振頻率相同的多個諧振腔通過一定的耦合方式級聯(lián)起來就構(gòu)成了傳統(tǒng)的帶通濾波器。通過調(diào)整輸入輸出端及各諧振腔間的耦合量就可以使帶通濾波器的性能滿足要求。常用的耦合方式主要有環(huán)耦合(磁耦合)、探針耦合(電耦合)和縫耦合(電耦合或磁耦合)，耦合量的大小取決于耦合環(huán)的位置、方向、大小，探針的位置、粗細(xì)、深度及耦合縫的位置、大小等參量。傳統(tǒng)意義的級聯(lián)式耦合帶通濾波器的基本原理如圖10。級聯(lián)式耦合帶通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟，調(diào)試比較簡單，對腔體排列方式基本沒有要求，帶外衰減曲線沒有波紋起伏。
近幾年發(fā)展起來的交叉耦合技術(shù)可以在不增加濾波器腔體數(shù)量的前提下提高濾波器上下邊帶的陡度。這種技術(shù)的基本原理是在濾波器的不相鄰的諧振腔體之間引入一定量的耦合，理論上，這種濾波器屬于橢圓函數(shù)濾波器。
帶交叉耦合的級聯(lián)式帶通濾波器的基本原理及仿真曲線如圖12和圖13所示。
交叉耦合技術(shù)能夠在不增加腔體數(shù)量的情況下，顯著提高通帶的邊緣的陡度，如果需要還可以加兩個交叉耦合甚至三個交叉耦合來提高帶通濾波器通帶邊緣的陡度。
（四）帶阻濾波器
在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中，常用帶阻濾波器對某些特殊頻率進(jìn)行衰減。常用的帶阻濾波器是用電容耦合短截線諧振器構(gòu)成，短截線在阻帶中心頻率上近似是1/4波長，兩諧振器間的間隔與近似是1/4波長。
三、結(jié)論
本文介紹了四種常用的濾波器的基本結(jié)構(gòu)原理及特性曲線。除了濾波器的插入損耗、端口駐波比等基本指標(biāo)外，濾波器的功率容量(溫升)、頻率穩(wěn)定性、重量、價格等都是選用濾波器時要認(rèn)真考慮的問題。在綜合考慮這些問題的時候要分清主要矛盾和次要矛盾，具體問題具體分析，確定最佳方案。