現(xiàn)代微波電路與器件設(shè)計(jì)4波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

1、、波導(dǎo)濾波器概述、波導(dǎo)濾波器概述波導(dǎo)濾波器是傳輸線濾波器的一種。波導(dǎo)濾波器是傳輸線濾波器的一種。波導(dǎo)濾波器的特點(diǎn)：低插耗、高功率容量波導(dǎo)濾波器的特點(diǎn)：低插耗、高功率容量一般的，波導(dǎo)濾波器由不連續(xù)處和傳輸線段組成。一般的，波導(dǎo)濾波器由不連續(xù)處和傳輸線段組成。兩者都可以等效為相應(yīng)的集總參數(shù)元件和電路：兩者都可以等效為相應(yīng)的集總參數(shù)元件和電路：波導(dǎo)不連續(xù)結(jié)構(gòu)提供等效電抗；波導(dǎo)不連續(xù)結(jié)構(gòu)提供等效電抗；傳輸線段等效諧振腔等。傳輸線段等效諧振腔等。jB波導(dǎo)帶通濾波器波導(dǎo)帶通濾波器對稱膜片對稱膜片 Symmetrical Diaphragm縱向縱向/橫向條帶橫向條帶 Longitudinal/Transve

2、rse strips方柱方柱/圓柱圓柱 Square/Circular Postsport 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundaryBrian Gray, Ansoft, ”External Optimization Using Ansoft HFSS”, AB053-9905, May 1999.Michael Brenneman, Ansoft, ”AnsoftHFSS V7: OptimetricsTM Case Studies of Optimization

3、 and Parametrics”, 1999 HFSS User Workshopport 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary原型濾波器原型濾波器( (等效電路等效電路) )waveguide filter(HFSS)S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957說明說明：具有倒置阻抗變換器的半波濾波器：具有倒置阻抗變換器的半波濾波器低通原型低通原型 帶通（或其

4、他）帶通（或其他）11gC 33gCnngC11nngR或00gR 22gL nngL 11nngG1, 2 , 1,212sin2110nkgnknkggButterworthButterworth低通濾波器原型低通濾波器原型ChebyshevChebyshev低通濾波器原型低通濾波器原型nknkbnknkanLkkAr, 2 , 1,sin, 2 , 1,212sin2sin37.17ln22偶數(shù)奇數(shù)nngnkgbaagagnkkkkk4coth1, 3 , 2,42211111100gR1L1C2L2C3L3C4L4C1nL1nCnLnC11nngR或11nngGnLnCn 奇數(shù)n 偶數(shù)

5、低通到帶通變換后，帶通原理電路，在微波中不易實(shí)現(xiàn)。低通到帶通變換后，帶通原理電路，在微波中不易實(shí)現(xiàn)。wgLCjjjj1001wgCLkkkk1001并聯(lián)諧振腔電納斜率，串聯(lián)諧振腔電抗斜率并聯(lián)諧振腔電納斜率，串聯(lián)諧振腔電抗斜率其中，其中，210012w頻率變換后，帶通濾波器原理電路頻率變換后，帶通濾波器原理電路微波濾波器常用結(jié)構(gòu)，阻抗變換器級聯(lián)串聯(lián)諧振。微波濾波器常用結(jié)構(gòu)，阻抗變換器級聯(lián)串聯(lián)諧振。變換器和并聯(lián)諧振回路類同。變換器和并聯(lián)諧振回路類同。 K K 阻抗變換器阻抗變換器K Z L Z L K 2 Z = IN 或者變換的路徑如下：或者變換的路徑如下：11gC 33gCnngC11nngR

6、或00gR 22gL nngL 11nngG1rL1rC2rL2rCrnLrnCK K0101K K1212K K2323K Kn,n+1n,n+1ARBR階梯到階梯到單一元件低通單一元件低通低通到帶通低通到帶通說明說明：變換器：變換器 1/4波長阻抗變換器（阻抗倒置變換器）波長阻抗變換器（阻抗倒置變換器） 其他形式的阻抗變換器等效電路其他形式的阻抗變換器等效電路感性膜片結(jié)構(gòu)感性膜片結(jié)構(gòu)容性膜片結(jié)構(gòu)容性膜片結(jié)構(gòu)電納電納 0圓波導(dǎo)膜片和等效電路圓波導(dǎo)膜片和等效電路說明說明3：傳輸線等效：傳輸線等效傳輸線段傳輸線段元件：電容、電阻、諧振腔元件：電容、電阻、諧振腔變換器：四分之一阻抗變換器變換器：四

7、分之一阻抗變換器一段開路傳輸線或者短路傳輸線作為諧振器。一段開路傳輸線或者短路傳輸線作為諧振器。說明說明4：濾波器分析和綜合：濾波器分析和綜合響應(yīng)響應(yīng)電路電路綜合綜合分析分析 特定電路特定電路階梯階梯LCJ/K變換器變換器 非唯一非唯一設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary耦合膜片設(shè)計(jì)耦合膜片設(shè)計(jì)傳輸線段設(shè)計(jì)傳輸線段設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟1、由濾波器指標(biāo)得到原型電路：得到、由濾波器指標(biāo)得到原型電路：得到K變換器的值；變換器的值；2、膜片尺寸

8、設(shè)計(jì)（耦合設(shè)計(jì)）：使用、膜片尺寸設(shè)計(jì)（耦合設(shè)計(jì)）：使用HFSS優(yōu)化膜片優(yōu)化膜片尺寸，得到要求的尺寸，得到要求的K變換器的值對應(yīng)膜片的尺寸；變換器的值對應(yīng)膜片的尺寸；3、傳輸線尺寸設(shè)計(jì)（諧振器設(shè)計(jì)）：得到各傳輸線段、傳輸線尺寸設(shè)計(jì)（諧振器設(shè)計(jì)）：得到各傳輸線段的長度的長度優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 每一步僅僅有簡單結(jié)構(gòu)仿真，速度快；每一步僅僅有簡單結(jié)構(gòu)仿真，速度快； 每一步僅僅有一個(gè)優(yōu)化變量，收斂快速；每一步僅僅有一個(gè)優(yōu)化變量，收斂快速； 以上步驟也可以沒有以上步驟也可以沒有CAD的參與：由理論分析的參與：由理論分析得到膜片的等效電路值得到膜片的等效電路值并聯(lián)電感和兩段負(fù)的傳輸并聯(lián)電感和兩段負(fù)的傳輸線，半波長

9、的諧振腔吸收負(fù)的傳輸線線，半波長的諧振腔吸收負(fù)的傳輸線 但是，對于某些形狀的膜片解析分析是困難的但是，對于某些形狀的膜片解析分析是困難的和近似的。和近似的。說明說明1：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與CAD設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明說明2：結(jié)構(gòu)、等效電路和模式、場結(jié)構(gòu)、等效電路和模式、場 結(jié)構(gòu)就是元件，就是電路結(jié)構(gòu)就是元件，就是電路 深層次的原因在于場分布深層次的原因在于場分布 模式不同場不同，等效不同模式不同場不同，等效不同 前面等效電路已有論述前面等效電路已有論述如果兩個(gè)膜片非常近，是如果兩個(gè)膜片非常近，是否任然可以分解為單個(gè)膜否任然可以分解為單個(gè)膜片加傳輸線段的電路片加傳輸線段的電路K01Z0K12K23K34K

10、23K12K01WR62212gag0g1g3gn-1gn+1g2g4gnf0 BW IL RL*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992K01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2Example:f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz6th order Chebychev

11、filterprototype elementsg0 = 1.0000g1 = 0.8836g2 = 1.3966g3 = 1.7894g4 = 1.5528g5 = 1.6095g6 = 0.7667g7 = 1.1524（1a）由指標(biāo)得到低通原型電路）由指標(biāo)得到低通原型電路1、濾波器原型電路設(shè)計(jì)、濾波器原型電路設(shè)計(jì)10001012ggwZKKAA101,1,2nnBBnnnnggwZKK11, 001,1,12iiiiiiiiiggwZZKK0200ffwgiiExample:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=0.0032（1b）電路變換，得到）電路變換，

12、得到K變換器的值變換器的值2、耦合設(shè)計(jì)、耦合設(shè)計(jì)KjKjS221Coupling S21 (dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diameteroffsetd1 = 2.50 mmdo1 = 3.845mmd2 = 3.50 mmdo2 = 3.135 mmd3 = 3.50 mmdo3 = 2.960 mmd4 = 3.50 mmdo4 = 2.972 mmd5 = 3.50 mmdo5 = 2.960 mmd6 = 3.50 mmdo6 = 3.135 mmd7 = 2.50 mmdo7 = 3.845 mmK01K12K

13、23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2ddoWR62波導(dǎo)：波導(dǎo)：15.799mm*7.899mm與文獻(xiàn)有差別！與文獻(xiàn)有差別?。≒EC與有耗材料設(shè)置？計(jì)算精度？與有耗材料設(shè)置？計(jì)算精度？）3、傳輸線段設(shè)計(jì)、傳輸線段設(shè)計(jì)2grl2121rlrK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2Denne figuren er IKKE for frste resonatorr1215.3115.3215.3315.3415.3515.3615.3715.3815.3915.4-40-35-30-25-20-15-10frequency (GHz)S (dB)re

14、sonator lengthl1 = 10.839 mml2 = 11.346 mml3 = 11.395 mml4 = 11.395 mml5 = 11.346 mml6 = 10.839 mm12 最后，可以建立濾波器模型，進(jìn)行全部結(jié)構(gòu)最后，可以建立濾波器模型，進(jìn)行全部結(jié)構(gòu)的仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。在部分設(shè)計(jì)中，這一步的仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。在部分設(shè)計(jì)中，這一步是必須的，總體結(jié)果需要通盤考慮和進(jìn)一步的修是必須的，總體結(jié)果需要通盤考慮和進(jìn)一步的修正。正。-40-30-20-100102030-60-50-40-30-20-100f -f0 (MHz)S (dB)S11 MeasuredS21 Me

15、asuredS11 HFSS S21 HFSS S11 Goal S21 Goal 波導(dǎo)濾波器響應(yīng)曲線波導(dǎo)濾波器響應(yīng)曲線帶有圓角的電感膜片濾波器帶有圓角的電感膜片濾波器折疊的電感膜片濾波器折疊的電感膜片濾波器05年微波年會年微波年會AnsoftDesigner結(jié)合設(shè)計(jì)微波波導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)微波波導(dǎo)系統(tǒng)說明說明：變換器：變換器設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟1、由濾波器指標(biāo)得到原型電路：得到、由濾波器指標(biāo)得到原型電路：得到K變換器的值；變換器的值；2、膜片尺寸設(shè)計(jì)（耦合設(shè)計(jì)）：使用、膜片尺寸設(shè)計(jì)（耦合設(shè)計(jì)）：使用HFSS優(yōu)化膜片優(yōu)化膜片尺寸，得到要求的尺寸，得到要求的K變換器的值對應(yīng)膜片的尺寸；變換器的值對應(yīng)膜片的尺寸；3、傳輸線尺寸設(shè)計(jì)（諧振器設(shè)計(jì)）：得到各傳輸線段、傳輸線尺寸設(shè)計(jì)（諧振器設(shè)計(jì)）：得到各傳輸線段的長度的長度優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 每一步僅僅有簡單結(jié)構(gòu)仿真，速度快；每一步僅僅有簡單結(jié)構(gòu)仿真，速度快； 每一步僅僅有一個(gè)優(yōu)化變量，收斂快速；每一步僅僅有一個(gè)優(yōu)化變量，收斂快速；3、傳輸線段設(shè)計(jì)、傳輸線段設(shè)計(jì)2grl2121rlrK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2Denne fi