无线通信中的微波滤波器和谐振器(理论、设计与应用).pdf

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本书的目的有以下几点:(1)提供应用于无线通信系统的滤波器的基本理论和基本设计步骤;(2)列出并引人实际的设计例子,说明阶效阻抗谐振器(引R)结构在RF微领域应用的有效性;(3)基于拓展的阶跃阻抗谐振器结构对传输线谐振器的提出更为一般的概念。本书详细地介绍了射频和微波传输线谐振器的基本理论和分析方法,继而介绍由以上谐振器组成的滤波器的综合理论和实际设计技术。在每一部分中还提供了各种设计的例子。相信本书能对致力于微波电路理论的学生、电磁波工程领域的研究者和无线通信系统和电路的研发工程师都带来有益的信息。
先进通信技术译丛 无线通信中的微波 谐振器与滤波器 理论、设计与应用) M. Akimoto 著 S, Yamashita 赵去锦译 李志坚审校 Ao967351 ·北京 普作权合同登记图字军-201-003号 图书在版编目(CP〕数据 无线通信中的微波谐振器与滤波器/赵宏锦译一北 京:国所工业出版社,20026 (先进通信技术泽丛) ISBN了-118-027006 Ⅰ.无..Ⅱ.赵...①微波谐振器⑨微波滤波 器Ⅳ.①IN62②713 中国版木图书馆CI数据核字(2001)第077475号 Translation fro the English language editioN Microwave Rccmualors and FiLte'ss feyr Wireless Commumication by M. Makimoto ard s.tamashi 〔单pght@Spr- Verlag berlin heidelberg201 Springer-Verlag is a company in the Bertelsmann Springer publishing groUp All Rights Reserved 本书中文版扑版社授予国防出版社独家出版发行。版 权所有,侵权必究 A所出版社出版发行 (北京市海淀区紫竹院南晔23号) t邮政编码104) 北京總隆印)印刷 华书店经售 开本85×1681/32印张6%156千字 2002年6月第版20年6月北京第1次印刷 印数:1-300册定价:1200元 本书如有印装错误我社负调换) 译者序 本书的两位作者 Mitsuo makino和 Sadahiko yamashita均是日 本著名的微波领域专家,长期从事无线通信中射频电路的微型化 研究,他们的著作《 Microwave resonators and filters for Wireless c munication)在国际微波领域界受到了极大关注。考虑到中国读者 的需求,受国防工业出版社的委托,以原著所特有的深入浅出的写 作风格为基础,我们把本书的英文版译成中文版《无线通信中微波 谐振器与滤波器》 从电信发展的早期,滤波器在电路中就扮演着重要的角色。 当今信息社会的发展依赖于通信技术的发展。而基于多媒体的全 球个人通信系统中的无线通信将得到更大的发展,作为关键射频 器件的滤波器的作用将变得越来越重要,对性能的要求也将越来 越高。本书从滤波器的基本概念开始,步扩展到滤波器件的各 种实际应用,主要介绍了应用于射频和微波的阶跃阻抗谐振器的 基本理论和分析方法,以及由以上谐振器组成的滤波器的综合理 论和实际设计技术,在每一部分中还提供了各种设计实例,并介绍 了采用最新发展的介电和超导材料通过先进的微机械加工技术制 造的新颖的谐振器和滤液器结构,我们有理由相信本书将为徵型 化和高性能的射频器件现在和未来的发展提供大量有用的信息, 柑信本书能有助于致力于微波领域电磁波领域、无线通信系统和 电路设计的学生研发人员及工程技术人员 本书的翻译工作得到李志坚老师的大力支持,谨致谢忧。 译者 序言 无论何时、何地,移动通信会让你与外界保持联系! 19世纪后期马可尼的无线电波发送和贝尔的电话发明为人 类的通信方式带来了神奇的变化。通过两者的结合,现在,我们拥 有了能让我们在任何时间、任何地点和任何人保持联络的强大的 通信工具。对此,提供轻便电子器件的技术的突破有重大贡献。 如果没有它们的进步就不会有我们现在的情况。我们可以预见 移动通信进一步发展的美好未来。本书的作者致力于无线通信中 射频(RF)电路的微型化。对于射频电路,滤波器件是一种基本元 件,而且也是人们正在努力研究和发展的器件。本书始于滤波器 的基本概念,逐步扩展到滤波器件的各种实际应用。 本书的目的有以下几点:(1)提供应用于无线通信系统的滤波 器的基本理论和基本设计步骤;(2)列出并引入实际的设计例子 说明阶效阻抗诸振器(S])结构在RF微领域应用的有效性;(3)基 于拓展的阶跃阻抗谐振器结构对传输线谐振器的提出更为一般的 概念。木书详细地介绍了射频和微波传输线谐振器的基本理论和 分析方法,继而介绍由以上谐振器组成的滤波器的综合理论和实 际设计技术。在每一部分中还提供了各种设计的例子。相信本书 能对致力于微波电路理论的学生电磁波工程领域的研究者利无 线通信系统和电路的研发工程师都带来有益的信息。 本书的特点是:(1)为拓展传统的传输线谐振器的可用频率范 用引入了阶跃阻抗谐振器的概念;(2)介绍了采用最新发展的介电 和超导材料通过先进的微机械加工技术制造的新颖的谐振器和滤 波器结构;(3)谐振器应用拓展到了滤波器以外的采用新结构的射 频器件,如平衡混频器、低相位噪声振荡器。这些课题现在还没有 m→Hm 引起足够的重视,因此,我们相信本书将对小型和高性能的射频设 备的当前和未来的发展提供大量有用的信息 本书包括6章和一个附录。第1章是概论,讲述了滤波器的 发展历史和在通信系统中的应用。随后提出了应用于无线通信设 备中各种滤波器所需要的功能和特性。其间我们引入了阶跃阻抗 谐振器,它是种有希望替代当前疒泛应用于微波领域滤波拍传 输线谐振器,并克服后者的主要缺点。第2章通过介绍传输线阻 抗率的概念分析了阶跃阻抗湝振器的基本结构和特性;第3章探 究了四分之·波长阶跃阻抗谐振器及其在滤波器中的应用。以同 轴介电谐振器的形式设计的阶跃阻抗谐振器的实际应用已有了发 展,对此本章将介绍各种针对于微型化技术的例子;第4章,集中 在半波长阶跃阻抗谐振器和它的应用。这种阶跃阻抗谐振器结构 很容易用带状线结构形式来实现,并和有源器件很类似。由于这 些优势,它在混频器、振荡器和滤波器中的实际应用将通过举例加 以说明;第5章讨论全波长阶跃阻抗谐振器。因为单模结构太大, 这种谐振器通常设计为双模谐振器,在本章介绍了双模诸振器的 激发方法和理论分析推出了一种双模滤波器的设计方法并举出 些实验例子;第6章介绍阶跃阻抗谐振器更一般的概念和技术 发动柯。其中讨论和总结了应用频率范围的扩展阶跃阻抗潜 振器应解决的问题以及其它方面的应用等。在附录中我们介绍了 种采用一般的微波电路模拟器进行单谐振器和谐振器对的分析 方法,这种分析方法提供了用于滤波器综合中谐振器特性的一般 估计,而不需专用的计算程序。这一技术贯穿本书,用于滤波器的 设计,可以作为一种实馬性很强的设计方法推荐给读者 像前面所说的一样,基于多媒体的全球个人通信系统中的无 线通信一定得到发展,而作为关键射频器件的滤波器的作用将变 得越来越重要,对其性能的要求也将更为迫切。我们希望本书将 有益于无线通信中滤波器的设计和发展,并进步推动先进滤波 器件的发展。 本书中的大部分关于SIR的技术资料来源于过去25年松下 东京研究所的研发成果,我们向长期致力于这一课题的广大研究 人员以及松下通信工业公司给予我们有价值的建议并鼓励我们完 成本书的同事们表达最诚挚的敬意。同时我们也向为我们提供大 量有价值的滤波器实验数据的M. Sagawa博士、H, Yabuki博士 M.Maso先生和A. Enokihara博士表达深切的谢意。 最后,我们感谢花费大量精力翻译本书的K.Cho先生以及 为我们提供出版本书机会和提供有益建议的斯普林格出版社的 Acheron搏士 Mitsuo akimoto Sadahiko Yamashita 2000年春于日本川崎 目录 第1章概论 冒P【『量■■■ 1.1应用于通信领域的滤波器的历史 2无线通信中的滤波器 1.3冠用于无线通信中的谐振器与港波器的分类 4传输线谐振器和阶跃阻抗谐振器(SIR) 上量『■■骨量b■量tP【音 d肀■■【t 第2章SR的基本结构和特性 2.kSR的基本结构…… 2.2谐振条件和谐振器的电学长度… 2.3杂散谐振频率 !7 2.4种SIR等效电路的推导 平■P十■■【↓■ t…:38 第3章四分之一波长型SIR 肀"■号P·■"P■q+甲■■■+ba;b■t 21 3.1四分之一型波长同轴SIR的分析 亠日甲〓n■■qφp◆自“p血qb道中■pm 1阻抗比R2 ■■■■中↓「■冒ψ■■d平引b昏幽■山■■■d■■■r■b■d■■■即■■ 22 3.1.2阻抗不连续性的影响 3.1.3冋轴5的未加载Q值… ■·"■T十■■t■h■;1h■ :26 3.2采用同轴SR的带通滤波器 74 3.2.1采用电容耦合的R-BFF的合成方法…… .== 34 322设计实例和性能… ■↓↓↓喜·■ 3 33双同轴SIHR(DC-SIR)… 45 3.3DC-H的优点… …………45 332谐振祭件和未加轼Q值… ↓卩■·■■ 46 33.3400M的大功率天线奴工器 34介电同轴SR ·音■■··『··P『·■自會·■即■甲■日甲■卜■■』■+■t自■』aq■ 53 3.4.1介电材料和介电谐振器的特性 "…t……:53 学一·v滑1h:EE 3.4.2介电同轴谐振器的基本结构和特性…………55 343便拽式无线电话的人线双L器设计实例 3,4.4介电DC-SR 34.5介屯单块SIR-BPF ■+■■↓ 67 3.5带状线SiR ■rT↓↓L 3.5.1其本结构和特征 ■■■■■■■■■■暑↓卩瓤■■■■↓■■+ ↓↓■↓↓■早早亡 3.5,2谐振器之间的耦合 ii 3.5.3带状线5R丑P… 第4章半波长型sR ■·〓晶↓L 74 4.1带状线入/2型SR 75 4.1.I基本特性 t+t ■■■■ 75 4.1.2用相器实现的平行辋合线的等效表达式… ■;■■■d■ T7 4.【.3带状线平行耦合SR-BF的合成 8 4.1.4滤波器设计实例 85 4.2内部耦合SIR T曾「音■■■自■◆■■■『■ 96 4.2.1基本结构和谐振条件 ■■■口■■bb■■口m■ 十中■■會■ 4.2.2谐振时的等效电路 l04 4.2.3滤波器设计实例………………………………105 42,4应用于振荡器和混频器电路 ,1r6 第5章全波长型sR 123 5.1在环形谐振器中的正交谐振模式…….123 2作为四端口器件的全波长型SR的应用……….125 5.3作为二端口器件的全波长型SR的应用 ····tr■dd音■tt 5.3.1正交谐振模式的耦合方式 12 5.3.2正交谐振模式的耦合分析 5.3.3滤波器中的应用 136 第6章SR的扩展概念和技术发展趋势 ·■斷thb·卓■·聊■■咖咖p自咖 744 6.1采用复合材料的SIR 6.1.1磁性材料和介电材料的组合 6.1.2用介电材料部分加载的同轴SIR……… 145 6.2多阶SR和锥形线谐振器 63折叠线SIR …""∵""………灬""………L58

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