译者序
微波滤波器是各种微波通信系统中的关键器件。其作用是允许传输所需频段的信号，抑制或反射不需要的信号。现如今，各通信系统的频段越来越拥挤，频段的间隔越来越窄，这些因素极大地驱动了微波滤波器的创新与应用。随着5G应用中基站的布局越来越密集，需要大量的高功率微波滤波器和多工器，这使得各种新兴技术的应用（如多通带、可调、可集成与小型化），以及更高效、快速地解决仿真与工程问题，都成为行业的迫切需要。因此，对于大多数从事通信或微波领域的高校和企业来说，滤波器技术人才的培养已成为目前亟待解决的问题。
Microwave Filters for Communication Systems: Fundamentals，Design and Applications，Second Edition的出版，给整个滤波器行业，甚至整个微波通信行业带来了新的技术学习热潮。这本微波滤波器经典著作，在微波业界堪称里程碑之作。早在2003年，为了学习滤波器综合设计方法，我认真研读了三位作者之一Cameron博士发表的所有文献。为了解决自己在理解文献时遇到的问题，我有幸与Cameron博士建立了邮件联系。后来，这些文献的内容由他汇总到了本书中。当时国内缺乏最关键的综合设计软件，对于滤波器的设计，大家都处在摸索阶段，大公司也只是借鉴国外设计，或者凭借经验值来指导工程应用。而正是基于对文献内容的理解及好友的建议，微波家园论坛于2006年正式推出。之后，这个交流平台逐渐吸引了众多业界和学术界同仁的关注，大家在这里开展了许多关于微波滤波器综合和仿真工程应用的技术讨论，互相促进和提高。也正是由于这种热烈氛围，微波家园论坛得到了电子工业出版社编辑的关注，我有幸牵头翻译了本书第一版并认真审校了全书。
本书第一版出版之后，得到了业内技术人员的好评，尤其是专业人员利用本书主要核心内容编写的各种综合软件的发布，促进了国内滤波器设计及工程应用的迅速发展。三位作者经过多年的积淀，将工程应用心得汇集整理，对第一版内容进行了大幅修订补充，并新增了微波滤波器的许多新型应用。本书以电路网络理论为基础，逐一介绍了各类复杂滤波器耦合矩阵的综合技术及工程应用，实现了理论与实践的完美结合。作者根据多年的研究经验，结合现代微波滤波器技术发展，创新地提出了许多新的方法与手段。这是针对高性能微波滤波器最完善的一本指导教材和设计工具书，读者只要掌握基本的数学理论、电路知识和仿真工具，通过对书中实际案例的认真学习，就能够快速掌握滤波器设计方法，解决较复杂的滤波器工程问题。
第二版的翻译及所有章节的审校工作都由我完成。对于可能存在的排版错误和不容易理解的地方，我已与作者反复沟通与确认，力求奉献给读者一部易懂好学的教材。某些表中的数据已根据现今技术水平进行了更新。值得一提的是，在讨论过程中，作者提供了新的文件，因此第6章新增了附录6A。另需注意的是，中译本的一些章节中的矩阵数据与原著存在差异，这是译者在相同的输入条件下，利用MATLAB编程实现的综合数据，已验证数据的真实性。读者如果想参考原著的矩阵数据，则可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费下载。
许多学生在离开校园步入通信与微波行业时，还不具备基本的滤波器设计知识，在大学本科阶段开设以滤波器为基础的理论课程是大势所趋。为了适应本科教学学时和内容深度等方面的实际情况，这次出版的译著特意拆分成“基础篇”和“设计与应用篇”两本书。前者适合作为本科选修课教材，后者可以在毕业入行后再深入研读。对于已投身通信与微波行业的工程师，本人建议将这两本书作为案头必备参考书。在这里，我要感谢西安电子科技大学滤波器领域的研究团队对本书的支持，还要特别感谢参与本书第一版初译的各位同行的付出，以及电子工业出版社编辑为本书高质量出版的不懈努力。
限于本人的能力水平，对于译本出现的遗漏或翻译不妥之处，恳请广大读者给予批评指正。为了方便大家的交流，微波家园论坛开辟了针对本书的讨论专区，期望大家能总结本书的不足及错误，共同在微波滤波器的理论研究和工程实践方面不断学习与提高。同时，关于本书中部分章节中的计算实例，可以在这个讨论专区的相关主题下查找下载。

王松林  
2021年11月

前言
（前言译文对应原著的Preface，其中涉及的第11章至第23章的内容，在《通信系统微波滤波器——设计与应用篇（第二版）》中。——编者注）
与第一版相比，本书新增了三章，其中关于多通带滤波器和可调滤波器的两章主要反映了无线系统的新兴市场需求，还有一章主要介绍了实际应用中微波滤波器和多工器网络设计与实现。我们全面检查和改进了第一版的内容，并在第1章、第6章、第8章、第16章和第20章新增了一些小节。
本书由一个简单的通信系统模型开始，阐述了以下问题： 
1. 在无线通信系统中，可用带宽是否存在限制？
2. 在可用带宽内，信息传输的限制是什么？
3. 在通信系统中，对成本敏感的参数有哪些？
本书针对通信系统中不同部分对滤波器网络的功能需求，对上述问题进行了讨论，以便读者对不同的系统参数有所了解。接下来，书中讨论了用于产生对称和不对称频率响应的广义低通原型滤波器函数的计算机辅助设计技术。通过引入一个假想的不随频率变化的电抗元件，得到了低通原型滤波器设计的基本公式。在实际带通和带阻滤波器中，不随频率变化的电抗元件表征谐振电路的频率偏移。缺少不随频率变化的电抗元件的经典滤波器函数，将产生对称的频率响应。根据滤波器函数的基本公式推导出的综合方法，可用于实现滤波器网络的等效集总参数模型。利用接下来的综合步骤，可将滤波器的电路模型转化为等效的微波结构。一般来说，运用众多现有的电路模型参数，可以近似实现微波滤波器的物理结构参数。为了得到更精确的物理尺寸，本书论述了运用基于现代电磁技术的方法和工具，可以任意精度确定滤波器尺寸的方法。相关理论将通过设计任意带宽和信道间隔的多工器网络得以展示。其余一些章节主要讨论了计算机辅助调试和滤波器设计中的高功率因素。本书的目的是使读者全面了解滤波器的要求和设计，并且对该领域中陆续出现的一些高级方法有足够的认识。本书通篇强调了在滤波器设计中的基本理论和实际影响因素。全书特色如下： 
1. 在滤波器设计中，系统的影响因素。
2. 包含不随频率变化的电抗元件的滤波器函数的基本公式和综合方法。
3. 在大部分拓扑结构中，包含对称或不对称频率响应的广义低通原型滤波器的综合方法。
4. 应用基于电磁技术的方法，优化设计微波滤波器的物理结构尺寸。
5. 各种多工器结构的设计方法和折中方案。
6. 滤波器辅助调试技术。
7. 在地面和太空应用中，滤波器的高功率影响因素。
本书共23章，具体内容分述如下。
第1章主要回顾了通信系统，特别是通信系统中的信道与其他部分之间的关系。本章的主要目的是给读者提供足够的背景知识，以便于理解滤波器在通信系统中的关键作用和要求。
本书对数字传输、信道部分、频率划分和微波滤波器技术的局限性等内容进行了完善。为了反映无线业务爆炸性增长对额外频带的需求，针对蜂窝系统应用的射频滤波器指标也进行了完善，并新增了关于超宽带无线通信的一节。第1章的小结部分也进行了修订，以反映这些变化。
第2章主要介绍了通信理论和一些电路理论，重点强调了在电路网络分析中大家熟知的频率分析方法。
第3章论述了经典最大平坦、切比雪夫、椭圆函数等低通原型滤波器的特征多项式的综合方法。本章对不随频率变化的电抗元件进行了论述，并通过运用它们产生不对称的频率响应，得出了一些结论。其中传输函数多项式包含复系数（在一些限制条件下），这与我们熟悉的有理实系数特征多项式有明显区别，从而为分析大部分低通原型域中的基本函数形式的滤波器，如最小相位和非最小相位滤波器、对称或不对称频率响应的滤波器提供了基础。
第4章介绍了运用计算机辅助优化技术综合任意幅度响应的低通原型滤波器特征函数的方法。该方法的关键是确保优化过程的有效收敛，这主要是通过确立目标函数的解析梯度和建立与理想幅度响应的直接对应关系来实现的。该方法也适用于对称或不对称频率响应的最小相位滤波器和非最小相位滤波器。为了说明该方法的灵活性和有效性，本章给出了一些非常规滤波器的设计示例。
第5章回顾了一些在多端口微波网络分析中用到的基本概念。由于任意滤波器或多工器能够被分成若干二端口、三端口或N端口的级联形式，因此这些概念对于滤波器设计人员来说非常重要。接下来介绍了微波网络的5种矩阵表示形式，分别为\[Z\]，\[Y\]，\[ABCD\]，\[S\]和\[T\]矩阵。这些矩阵都是可以相互转化的，即任意一个矩阵的元件可以用其他的矩阵元件表示。熟悉这些矩阵的概念对于理解本书的内容来说是极为重要的。
第6章开篇复习了与滤波器网络设计相关的一些重要散射参数之间的关系。接着讨论了广义切比雪夫函数及其在产生传输多项式和反射多项式中的应用，这些多项式可以用来综合含有任意传输零点的等波纹滤波器。本章最后主要讨论了预失真和双通带滤波器函数。
本章新增内容之一是求解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的位置；另外新增一节描述了特征多项式、S参数、短路导纳和\[ABCD\]传输矩阵参数之间的关系。本章还新增了一个附录，讨论二端口S参数的扩展分析和复终端多端口网络的综合。
第7章介绍了基于\[ABCD\]矩阵的滤波器综合方法。综合步骤分为两步。首先确定无耗的集总元件电容、电感和不随频率变化的电抗元件的值，然后确定导纳变换器的值。应用这些变换器，可使微波谐振器通过相互耦合的方式来实现原型电路。运用这种方法综合出的对称和不对称频率响应的低通原型滤波器，其拓扑不仅是梯形的，还含有交叉耦合。这一方法还可以推广到单终端滤波器的综合。本章介绍的综合方法是一种普适的技术，广泛应用于集总低通原型滤波器网络的综合。
第8章介绍了带通滤波器综合的N×N耦合矩阵的概念。通过加入不随频率变化的电抗元件，修正后的综合方法也可用于综合不对称的滤波器响应。然后，通过从N×N耦合矩阵中分离出纯阻性和纯电抗性元素，可将该设计过程拓展到N+2型耦合矩阵。N+2型耦合矩阵除了包含源与第一个谐振器耦合、负载与最后一个谐振器耦合的情形，还包含源和负载与其他所有谐振器的耦合，以及源和负载直接耦合的情形。这种方法可用来综合全规范型滤波器，并且简化了到其他拓扑结构的相似变换过程。以上综合过程产生的基本耦合矩阵，其所有耦合都位于限定位置。接下来，本章讨论了确定包含最小耦合路径的拓扑结构，即全规范型拓扑，可以通过矩阵的相似变换来实现。这种变换保证了矩阵的特征值和特征向量在变换过程中保持不变，因此变换前后的滤波器响应也保持不变。这种综合方法具有两大优势： （1）能够得到包含所有可能耦合的基本耦合矩阵，从而使针对耦合矩阵的后续变换中能够得到不同的滤波器拓扑结构；（2）耦合矩阵代表了实际带通滤波器的结构。因此，能够知道实际带通滤波器的每一个参数值，如Q值、色散特性和灵敏度。这些信息使我们能够对实际滤波器性能做出更准确的判断，得出优化滤波器性能的方向。
本章新增了两节，其中一节讨论N+2型复终端网络耦合矩阵综合，另一节讨论奇偶模耦合矩阵综合，即折叠梯形阵列。
第9章提出了一种相似变换的方法，该方法适用于双模滤波器网络的大部分拓扑结构。应用双模滤波器可实现在一个谐振器中产生两个正交极化的简并模。其中，谐振器可以是腔体的、介质盘片的或平面结构的，这使得滤波器的体积可以显著减小。除了轴向形和折叠形结构，比较适用的结构还有级联四角元件和闭端形拓扑。本章末尾给出了一些例子，并讨论了不同双模滤波器结构的灵敏度。
第10章介绍了两种不常用的电路单元： 提取极点和三角元件。这些单元可以用来实现一个传输零点，在滤波器网络中可以级联其他的电路元件。这些单元的应用拓宽了拓扑结构的范围。最后，本章论述了盒形及其衍生拓扑（扩展盒形）的综合方法，并举例说明了其复杂的综合过程。
第11章介绍了确定微波谐振器的谐振频率和无载Q值的理论和实验方法。谐振器是带通滤波器的基本组成单元。在微波频段，谐振器形状各异且包含许多结构形式。本章介绍了两种用来计算任意形状谐振器的谐振频率的方法： 本征模分析和S参数分析。本章通过一些示例，采用基于电磁技术的商用软件，如HFSS来说明这两种方法的具体实现过程。另外，本章还分别介绍了在矢量网络分析仪的极化显示模式下，以及在标量网络分析仪的线性显示模式下，有载Q值和无载Q值的详细测量步骤。
第12章论述了在微波频率实现低通滤波器的综合方法。低通滤波器的典型带宽要求为吉赫量级，使得集总元件模型不再适用于微波频段内的滤波器实现，需要运用分布元件来实现原型滤波器。本章论述了公比线元件及其实现的分布低通原型滤波器，接下来讨论了适合构造实际低通滤波器的特征多项式，以及生成这个多项式的方法，最后论述了阶梯阻抗和集总/分布元件低通滤波器的综合方法。
第13章讨论了双模滤波器的实用设计理论，其中包括工作于主模和高次模的双模谐振器的应用。本章给出了许多实例来说明双模滤波器的设计过程，其中包括轴向形滤波器、规范型滤波器、扩展盒形滤波器、提取极点型滤波器，以及全电感耦合滤波器。本章还介绍了同时优化双模线性相位滤波器的幅度和群延迟的步骤。本章所述实例运用了第3章至第11章中的分析和综合方法。
第14章讨论了如何应用电磁仿真工具来设计微波滤波器，展示了如何运用电磁仿真工具综合出与滤波器电路模型对应的微波滤波器的具体物理尺寸。首先计算从滤波器的最佳电路模型得到的物理尺寸。通过应用商业电磁仿真软件，可计算得到较精确的输入/输出及谐振器间耦合。应用K或J变换器模型，稍加改进就可以作为一种直接从耦合矩阵\[M\]确定滤波器物理尺寸的方法。本章给出了介质谐振器、波导和微带滤波器的一些数值算例。为了使结构更简单，在不相邻谐振器之间引入了负耦合，这种方式的效果极佳。电磁仿真工具也显示了其在微波滤波器的物理实现上的优势。
第15章介绍了一些基于电磁技术的微波滤波器设计方法。最直接的方法就是应用具有优化功能的电磁仿真工具来优化一个滤波器的物理尺寸，使其得到一个理想响应。这在调试阶段是非常有效的，其中调试是通过优化工具而不是技术人员来完成的。这一方法的出发点是运用第14章介绍的技术得到滤波器的具体尺寸。如果不采取任何简化措施，直接优化将非常耗时。但是，运用一些优化策略，包括自适应频率采样、神经网络和多维柯西法，可以显著减少优化时间。本章详细介绍了两种基于电磁的高级技术： 空间映射方法和粗糙模型方法，它们的应用极大地降低了计算时间。本章末尾给出了用空间映射方法和粗糙模型方法确定滤波器尺寸的例子。
第16章介绍了各种结构的介质谐振器及滤波器的设计方法。商用软件如HFSS和CST都可以用来计算任意形状介质谐振器的谐振频率、场分布和Q值。应用这些工具，可以获得介质谐振器的前4个模式的场分布图。本章也论述了同轴谐振器的谐振频率和无载Q值的计算，同时也介绍了Q值、寄生响应、温漂和高功率等设计中的一些影响因素。本章末尾详细介绍了低温介质谐振器滤波器的设计和折中方案。介质滤波器广泛应用于无线和卫星通信中，且介质材料特性的持续改善预示着这一技术将会有更广阔的应用空间。
本章新增一节讨论介质谐振器小型化的概念，给出了利用常规圆柱介质谐振器实现四模谐振器的实例，并演示了如何将一个半切介质谐振器应用于双模滤波器。
第17章讨论了均衡器全通网络的分析和综合方法。这种在滤波器外接全通均衡器网络的方法可以提高滤波器的相位和时延特性。本章末尾讨论了线性相位滤波器与外接均衡器的滤波器之间的折中方案。
第18章讨论了广泛应用的多工器网络的设计和折中方案。本章开篇讨论了各种不同的多工网络的折中方案，包括环形器耦合、混合电桥耦合和多枝节耦合等多工器，其中用到了单模或双模滤波器，或基于定向滤波器的多工器。接下来，本章详细论述了各种多工器设计中应该注意的一些因素，并针对目前最复杂的微波网络，即多枝节耦合多工器的设计方法和优化策略进行了深入讨论，进而运用数值算例和图形说明了该设计方法。本章末尾简要论述了蜂窝通信应用中双工器的高功率容量问题。
第19章主要讨论了微波滤波器的计算机辅助调试方法。从理论上讲，一个微波滤波器的物理结构能够通过电磁方法以任意精度来诠释。然而在实际中，应用电磁仿真工具可能非常耗时，对于高阶的滤波器或多工器仿真无法实施。另外，由于加工的误差和材料特性的变化，实际的微波滤波器响应与理想设计可能存在差异。以上这些问题，在对滤波器性能要求极高的无线和卫星通信系统中，表现得尤为糟糕。因此，滤波器调试被认为是产品加工完成后不可或缺的一个关键步骤。本章讨论了如下一些调试方法： 
1. 针对耦合滤波器的逐阶调试；
2. 基于电路模型参数提取的计算机辅助调试；
3. 应用输入反射系数的零极点的计算机辅助调试；
4. 时域调试；
5. 模糊逻辑调试。
本章针对每种方法的优势都进行了介绍。
第20章讨论了在设计微波滤波器和多工器时的高功率容量问题。本章回顾了陆地上应用的空气击穿现象，重点强调了严重影响高功率设备性能的一些因素，深入讨论了在太空应用中的二次电子倍增击穿现象，详细阐述了设备上的高功率器件的设计裕量问题，强调了避免二次电子倍增击穿现象的一些方法。高功率器件设计中的另一个重要现象是无源互调（Passive InterModulation，PIM）。
无源互调比较难以分析，它取决于材料的选择和制造工艺的标准。本章给出了一些在高功率器件的设计中无源互调最小化的一些指导性建议。
本章深入探讨了二次电子倍增现象。在大多数实际应用中，高功率设备工作于多载波环境，其外形与简单的平板电容导体之间没有对应关系。在针对二次电子倍增和气体放电的简单分析过程中，通过新引入的数值方法，可以更精确地分析具有非均匀场的复杂结构单表面和双表面的二次电子倍增效应。尽管此方法更复杂且计算量更集中，但是当具有复杂外形结构的高功率设备工作于不同的调制方式下，处理不同数量的载波时，运用这种方法进行实际分析更接近于理论值。新增内容还介绍了针对射频击穿效应的常用测量装置，彰显了在多载波工作环境下使用峰值功率法，以及20间隙交叉规则这一业界公认方法来预测电子倍增放电的有效性。
本章还给出了高功率设备设计时无源互调最小化的指导方针。
新增的第21章通过对若干双通带和三通带滤波器设计实例的介绍和讨论，概述了各种多通带滤波器设计方法。本章重点关注利用同轴、波导和介质谐振器实现的高Q值多通带滤波器，同时也介绍了多通带滤波器综合的详细过程。本章还说明了如何使用双通带滤波器来实现双工器和多工器的小型化。
新增的第22章概述了可调滤波器技术，指出实现高Q值可调滤波器主要面临以下挑战： 
1. 在整个宽的调谐范围内保持恒定带宽和合适的回波损耗；
2. 在整个宽的调谐范围内保持恒定的高Q值；
3. 调谐元件与滤波器结构的集成；
4. 线性度和高功率容量。
本章还介绍了一种只使用谐振器调谐元件，在宽的调谐范围内实现恒定绝对带宽的方法，并对比分析了各种调谐元件（半导体、压电电机、微机电系统、钛酸锶钡材料和相变材料）的不同应用。本章还展示了实现可调梳状、介质谐振器和波导滤波器的各种案例。在给出的滤波器例子中，重点关注微机电系统的应用。此外，本章还介绍了滤波器的中心频率和带宽皆可调的实现方法。
新增的第23章的目标是在微波滤波器和多工器网络的理论与具体实现之间建立对应关系。本章的关键部分出自本书的共同作者： 西班牙瓦伦西亚理工大学的Vicente Boria教授和Santiago Cogollos教授。通过若干实例，本章强调了实际滤波器与多工器在设计和性能上的折中方法。该方法为通信系统中滤波器的分析与优化提供了一个思路，针对以下这些参数来指导滤波器的折中设计： 典型的工作环境（地面或太空）、技术的限制、加工的难度，以及滤波器拓扑的准分布参数模型的电路设计等。最后，本章运用电磁仿真工具来完成最终物理尺寸的计算。另外，本章还简要介绍了滤波器设计过程中基于电磁方法的公差和灵敏度分析。
新增的附录E（对应这本教材的附录A。——编者注）是关于阻抗和导纳变换器的，主要介绍了滤波器设计中变换器应用的简单公式。
本书不仅适用于高年级本科生和研究生，而且还适用于微波技术从业人员。本书编写时借鉴了许多经验，包括实际的工程经验、在大学授课和研讨会作报告时获得的经验，以及在不同的会议中与工程师们交流时获得的经验等。本书反映了作者为了提高微波滤波器和多工器网络的技术水平所付出的毕生努力。