現(xiàn)代濾波器設計講座(3波導濾波器設計)教學提綱

1、現(xiàn)代濾波器設計講座現(xiàn)代濾波器設計講座(3波導濾波導濾波器設計波器設計)電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）腔體級聯(lián)耦合波導濾波器對稱膜片對稱膜片縱向條帶縱向條帶方柱方柱橫向條帶橫向條帶圓柱圓柱矩形波導濾波器常見類型矩形波導濾波器常見類型波導濾波器設計舉例波導濾波器設計舉例設計參數(shù)：設計參數(shù)：f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz濾波器從濾波器從 14.9到到 15.35 GHz連續(xù)可調連續(xù)可調BJ-140波導技術參數(shù)：波導技術參數(shù)：a=15.8mm;b=7.9m

2、m;工作頻率范圍：工作頻率范圍：11.918GHz濾波器原型濾波器原型1a) Obtain low-pass prototype parameters (gi) from filter specifications (see e.g. Matthaei*)g0g1g3gn-1gn+1g2g4gnf0 BW IL RL*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992K01K12K2

3、3Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2Example:f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz6th order Chebychev filterprototype elementsg0 = 1.0000g1 = 0.8836g2 = 1.3966g3 = 1.7894g4 = 1.5528g5 = 1.6095g6 = 0.7667g7 = 1.1524帶帶K變換器濾波器模型變換器濾波器模型1b)Calculate K-inverters (band-pass prototype parameters)0

4、0201gicK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/201010012AAKwKZg g ,1,1012n nBn nBnnKwKZg g11,001,1,12iiiiiiiiiggwZZKK0200ffwgiiExample:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=0.003200cfK變換器的變換器的S參數(shù)參數(shù)n在濾波器中心工作頻率00jKAj K211222211221;121KSSKKSSjKK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/22222221211;2111KKjKKSKKjKKK變換器計算模型

5、變換器計算模型n利用對稱面可以簡化模型；n計算K值；n計算附加相移；21111212111111SKSSS K01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/22190argiS 優(yōu)化耦合系數(shù)優(yōu)化耦合系數(shù)nFor all couplings: Optimize coupling to give the right K-inverter value at the center frequency11112212111111SKSKSS Coupling S21 (dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diamet

6、eroffsetd1 = 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 mmK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2ddo優(yōu)化諧振腔長度優(yōu)化諧振腔長度nFor all resonators: calculate resonator length, fine tune

7、until the structure resonates at the center frequency2grl2121rlrK01K12K23Kn,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)resonator lengthl1 = 10.839 mml2 = 11.346 mml3 = 11.395 mml4 = 11.

8、395 mml5 = 11.346 mml6 = 10.839 mm15.2415.2615.2815.315.3215.3415.3615.3815.415.42-90-80-70-60-50-40-30-20-10010frequency (GHz)S (dB)濾波器測試結果濾波器測試結果nDesigned at 15.35 GHznTunable from 14.9 to 15.35 GHznMeasured at 15.32 GHz15.2915.315.3115.3215.3315.3415.35-6-5-4-3-2-10frequency (GHz)S21 (dB)ndata ce

9、ntered on f0-40-30-20-100102030-60-50-40-30-20-100f -f0 (MHz)S (dB)S11 MeasuredS21 MeasuredS11 HFSS S21 HFSS S11 Goal S21 Goal 仿真與測試結果比較仿真與測試結果比較利用周期結構提高帶外抑制利用周期結構提高帶外抑制利用利用EBG結構縮短波導濾波器長度結構縮短波導濾波器長度電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）利用交叉耦合產(chǎn)生傳輸零點波導交叉耦合濾波器的特點波導交叉耦合濾波器的特點n受到幾何結構的限制波導交叉耦合濾波

10、器多數(shù)采用對稱結構。nERDEM OFLI, “ANALYSIS AND DESIGN OF MICROWAVE AND MILLIMETER-WAVE FILTERS AND DIPLEXERS”, SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH, Doctoral Thesis ETH No. 15771E平面金屬插片交叉耦合濾波器平面金屬插片交叉耦合濾波器nf0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB四腔交叉耦合濾波器四腔交叉耦合濾波器nreturn loss is 20 dB n center frequ

11、ency 11.55 GHzn bandwidth of 200MHz仿真計算結果仿真計算結果n其中，虛線是無交叉耦合的仿真結果。實線是有交叉耦合的結果。n1，2，4腔是TE101模；n3腔是TE102模Ka波段四腔交叉耦合濾波器設計波段四腔交叉耦合濾波器設計nf0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB仿真計算結果仿真計算結果n其中，虛線是無交叉耦合的仿真結果。實線是有交叉耦合的結果。n1，2，4腔是TE101模；n3腔是TE102模實際制作的實際制作的Ka波段交叉耦合濾波器波段交叉耦合濾波器n為了測試實際制作的濾波器增加了彎波導段Ka波段交叉耦合濾波

12、器測試結果波段交叉耦合濾波器測試結果n圖中，MMT是模式匹配法；Meas是測試結果產(chǎn)生非對稱零點的四腔濾波器產(chǎn)生非對稱零點的四腔濾波器nf0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB非對稱零點四腔濾波器仿真結果非對稱零點四腔濾波器仿真結果nf0 = 30.25 GHz,nBW = 500MHz；nRL = 20 dB源與負載直接耦合源與負載直接耦合n使用源與負載直接耦合可以提高濾波器性能，但源與負載之間的耦合孔要求更高的加工精度。包含源與負載直接耦合的包含源與負載直接耦合的2腔濾波器腔濾波器仿真結果仿真結果n其中，虛線是無源與負載耦合的仿真結果。實線是有源

13、與負載耦合的結果。電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點n在1980年R.J. Cameron提出了使用抑制諧振器（Rejection Resonator）產(chǎn)生濾波器傳輸零點的方法。n這項技術除了應用于波導濾波器以外，還被用于梳狀結構濾波器和介質濾波器等結構濾波器的設計。這項技術也被稱作零腔技術。n由于使用這種方法產(chǎn)生的零點，只與抑制諧振器和相關的耦合結構有關。因此傳輸零點的設計比較靈活。 J. D. Rhodes and R. J. Cameron, “Ge

14、neral extracted pole synthesis technique with application to low-loss TE -mode filters,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-28, pp. 10181028, Sept. 1980.抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點的原理抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點的原理n在傳輸回路中連接分支電路，分支電路的一端連接一個（或數(shù)個）專門產(chǎn)生傳輸極點的諧振器。這些諧振器被稱作抑制諧振器。0Port1Port2C=C1L=L1R=QuKP=lamped/4Z=1/(ms1*Sqrt(bwf)

15、KP=lamped/4Z=1/(m1L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(mo1*bwf)采用抑制諧振器的等效電路采用抑制諧振器的等效電路nAmari, “Synthesis and Design of Novel In-Line Filters With One or Two Real Transmission Zeros”，IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 52, NO. 5, MAY 2004, 1464-1478使用使用1個抑制諧振器的個抑制諧振器的3階濾波器階濾波器Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(0.5735*Sqrt(bwf)C=

16、C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(1.0729*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.532*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.0833*Sqrt(bwf)EE=53.2degF=FZ=10使用使用2個抑制諧振器的個抑制諧振器的3階濾波器階濾波器Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(0.7446*Sqrt(bwf)C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(0.4331*Sqrt(bwf)KZ=1/(1.113*Sqrt(bwf

17、)KP=lamped/4Z=1/(2.4504*Sqrt(bwf)EE=40.86degF=FZ=1EE=64.96degF=FZ=100使用抑制諧振器的濾波器結構使用抑制諧振器的濾波器結構三階濾波器零點高于中心頻率三階濾波器零點高于中心頻率三階濾波器零點低于中心頻率三階濾波器零點低于中心頻率T. Sieverding 設計的濾波器nT. Sieverding and F. Arndt, “Field theoretic CAD of open or aperture matched Tjunction coupled rectangular waveguide structures,” IE

18、EE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 40, no. 2, pp. 353362, 1992.二階濾波器具有二階濾波器具有2個零點個零點nR. Montejo-Garai, “Synthesis and Design of In-Line N-Order FiltersWith N Real Transmission Zeros by Means of Extracted Poles Implemented in Low-Cost Rectangular H-Plane Waveguide”, IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 53, N

19、O. 5, MAY 2005 1636-1642三階濾波器具有三階濾波器具有1個零點個零點四階濾波器具有四階濾波器具有2個零點個零點八階濾波器具有八階濾波器具有2個零點個零點使用抑制諧振器設計雙工器的實例使用抑制諧振器設計雙工器的實例n技術要求：濾波器拓撲結構濾波器拓撲結構n低通帶和高通帶使用同一結構。上通帶濾波器綜合曲線上通帶濾波器綜合曲線雙工器整體結構雙工器整體結構雙工器仿真結果和測試結果雙工器仿真結果和測試結果n仿真曲線 測試曲線電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）利用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點利用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點利用非諧振節(jié)

20、點產(chǎn)生傳輸零點nSmain Amari在2004年把非諧振節(jié)（Non-Resonator Node）點引入濾波器設計。并在其后發(fā)表了多篇論文介紹引入非諧振節(jié)點后傳輸矩陣的推導方法。n使用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點具有結構簡單，在波導結構上容易實現(xiàn)的特點。n引入非諧振節(jié)點后N個諧振器可以實現(xiàn)N個傳輸零點。而不必引入源與負載耦合。n使用非諧振節(jié)點可以很容易地把多個濾波網(wǎng)絡組合在一起。不會影響各個網(wǎng)絡的濾波特性。 Smain Amari, Uwe Rosenberg, and Jens Bornemann, “Singlets, Cascaded Singlets, and the Nonresonat

21、ing Node Model for Advanced Modular Design of Elliptic Filters”，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 14, NO. 5, MAY 2004，237-239非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點的原理非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點的原理n單諧振腔產(chǎn)生傳輸零點的基本電路0Port1Port2C=C1L=L1R=QuKP=lamped/4Z=1/(ms1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(m1L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(msL)非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點

22、的原理非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點的原理n用非諧振節(jié)點把單諧振腔連接起來，可以保持原來的傳輸零點和濾波特性。使用非諧振節(jié)點濾波器低通模型使用非諧振節(jié)點濾波器低通模型nAmari, “In-line Pseudoelliptic Band-Reject Filters With Nonresonating Nodes and/or Phase Shifts”, IEEE TRANS ON MTT, VOL. 54, NO. 1, JANUARY 2006, 428-436使用非諧振節(jié)點的使用非諧振節(jié)點的3階濾波器結構階濾波器結構使用非諧振節(jié)點的使用非諧振節(jié)點的3階濾波器測試結果階濾波器測試結果用非諧振

23、節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點例子用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點例子nS. Cogollos, “Synthesis and Design Procedure for High Performance Waveguide Filters Based on Nonresonating Nodes”，Microwave Symposium, 2007. IEEE/MTT-S International3-8, June 2007 Page(s):1297 - 1300 6階單腔階單腔3模濾波器模濾波器6階單腔階單腔3模濾波器測試結果模濾波器測試結果nAmari, “New In-Line Dual- and Trip

24、le-Mode Cavity Filters With Nonresonating Nodes”, IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 53, NO. 4, APRIL 2005, 1272-1279電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點概述概述n利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點的技術最早在2001年由Marco Guglielmi提出。n產(chǎn)生傳輸零點的過模腔體有多種結構。既有使用非簡并模式的過模波導濾波器，也有使用簡并模式的過模波導濾波器。n利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點具有結構簡單，容易加工的特點。在毫

25、米波波段，具有很好的發(fā)展前景。 M. Guglielmi, P. Jarry, E. Kerherve, O. Roquebrun, and D. Schmitt, “A new family of all-inductive dual-mode filters,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 10, pp. 17641769, Oct. 2001.非簡并模式過模濾波器模型非簡并模式過模濾波器模型nBornemann, J.; Amari, S.; Vahldieck, R.; “A flexible S-matrix algo

26、rithm for the design of folded waveguide filters”，Microwave Conference, 2005 EuropeanVolume 1, 4-6 Oct. 2005 Page(s):4 pp. 非簡并模過模濾波器單元等效電路非簡并模過模濾波器單元等效電路n非簡并模過模濾波器單元電路可以等效成下面的拓撲結構。n在2次模對應的頻率，產(chǎn)生傳輸零點的條件是 與 符號相反。1sm123111222333000000sssLLLmmmmmmmmm1Lm2sm2Lm3sm3Lm2sm2Lm耦合量與耦合孔位置的關系耦合量與耦合孔位置的關系n基模耦合量與耦合孔

27、位置的關系耦合量與耦合孔位置的關系n2次模耦合量與耦合孔位置的關系耦合量與耦合孔位置的關系n3次模非簡并模過模濾波器單元等效電路非簡并模過模濾波器單元等效電路n當開口位置靠近1/3處時，對3次模的耦合很小，可以忽略。傳輸零點位于高端。121112220000ssLlmmmmmm1sm1Lm2sm2Lm非簡并模過模濾波器單元等效電路非簡并模過模濾波器單元等效電路n當開口位置靠近邊緣處時，對基模的耦合較小小，可以忽略。傳輸零點位于低端。3sm3Lm2sm2Lm非簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零非簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點點n在E面插片波導中，利用過模諧振器也可以產(chǎn)生傳輸零點。Q波段波段4腔濾波器腔濾波

28、器nFig.4.7(a),f0 = 38.80 GHz, BW = 500MHz and RL = 23 dB nFig.4.7(b), f0 = 39.50 GHz, BW = 500MHz and RL = 23 dB Q波段波段4腔濾波器仿真結果腔濾波器仿真結果nQ波段4腔濾波器仿真結果過模腔體過模腔體E平面插片濾波器實物照片平面插片濾波器實物照片n使用過模腔體的E平面插片濾波器實物照片Q波段波段4腔濾波器測試結果腔濾波器測試結果膜片耦合過模腔體濾波器膜片耦合過模腔體濾波器幾種幾種E面膜片耦合過模濾波器結構面膜片耦合過模濾波器結構Ku波段濾波器設計實例波段濾波器設計實例n實物照片 測試結

29、果使用多個過模腔體的波導濾波器使用多個過模腔體的波導濾波器簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點的原理簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點的原理n過模諧振器可以等效成下面的拓撲結構。Designer 仿真結果（仿真結果（1）n耦合矩陣00.46851.262600.46851.509600.46851.262601.23331.262600.46851.26260MDesigner 仿真結果（仿真結果（2）n耦合矩陣00.46851.262600.46851.509600.46851.262601.23331.262600.46851.26260M簡并過模諧振腔的耦合簡并過模諧振腔的耦合矩形波導簡并模的基本理論

30、矩形波導簡并模的基本理論n根據(jù)矩形波導諧振腔的基本理論，先假定 和 工作在同一個頻率，即：n其中：a和d分別表示諧振腔的長度和寬度，可以得到：n根據(jù)矩形波導諧振頻率的計算公式，可以得到：n如果 和 模，很容易得到：0m nTE0p qTE00m np qff2222()()()()mnpqadad2222ampkdqn22()2cmdnfk102TE201TEad1.118cadf簡并模過模濾波器特性曲線簡并模過模濾波器特性曲線nTE102模和TE201模簡并簡并模腔體的濾波特性曲線簡并模腔體的濾波特性曲線nTE102和TE301簡并兩級簡并模過模濾波器兩級簡并模過模濾波器n兩級簡并模濾波器級

31、聯(lián)兩級簡并模過模濾波器仿真和測試結果兩級簡并模過模濾波器仿真和測試結果10.6010.8011.0011.2011.4011.60Freq GHz-80.00-70.00-60.00-50.00-40.00-30.00-20.00-10.000.00Y1Ansoft CorporationHFSSDesign2XY Plot 1Curve InfodB(S(p1,p1)Setup1 : Sweep1dB(S(p2,p1)Setup1 : Sweep1腔體加介質塊的過模濾波器腔體加介質塊的過模濾波器n通過在腔體中添加介質塊降低簡并模腔體的體積。簡并模腔體中的模式圖簡并模腔體中的模式圖簡并模濾波器

32、的仿真和測試結果簡并模濾波器的仿真和測試結果電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）消失模濾波器消失模（凋落模）濾波器消失模（凋落模）濾波器n消失模濾波器是指那些由截止波導構造的濾波器。由于在正常狀態(tài)下這些波導中的波導模式不能傳播，所以，被稱為消失模（或凋落模）。n消失模波導濾波器具有體積小、無載Q值高、阻帶對高次諧波抑制好的特點。因此，受到微波工程師的重視。n消失模濾波器的研究始于上世紀70年代。關于消失模濾波器的設計方法有很多種，常見的設計方法都是以場分析方法為基礎。n消失模濾波器有切比雪夫型、橢圓函數(shù)型等。消失模（凋落模）濾波器消失

33、模（凋落模）濾波器n通常，消失模濾波器的工作頻率范圍100MHz-40GHz。帶寛1%-80%消失模濾波器的類型消失模濾波器的類型消失模濾波器的類型消失模濾波器的類型消失模濾波器的基本分析方法消失模濾波器的基本分析方法n消失模濾波器設計方法與常規(guī)濾波器的設計方法類似。消失模濾波器設計實例消失模濾波器設計實例nP. Soto， “Efficient Analysis and Design Strategies for Evanescent Mode Ridge Waveguide Filters” Proceedings of the 36th European Microwave Confer

34、ence，仿真和測試結果仿真和測試結果帶中心脊的消失模波導濾波器帶中心脊的消失模波導濾波器nVicente E. Boria，“Waveguide Filters for Satellites”，IEEE Microwave Magazin Oct. 2007,61-70帶中心脊的消失模波導濾波器帶中心脊的消失模波導濾波器S曲線曲線不對稱結構消失模濾波器不對稱結構消失模濾波器復雜結構消失模濾波器復雜結構消失模濾波器n吳須大， “消失模波導濾波器的新結構”，空間電子空間電子技術，技術，2003 年第年第4 期，期，47-51復雜結構消失模濾波器復雜結構消失模濾波器n吳須大， “消失模波導濾波器的

35、新結構”，空間電子空間電子技術，技術，2003 年第年第4 期，期，47-51復雜結構消失模濾波器實驗結果復雜結構消失模濾波器實驗結果n中心頻率4080MHz ,帶寬為30 MHz ,電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（三）現(xiàn)代濾波器設計講座（三）波導濾波器性能比較四種基本結構的濾波器四種基本結構的濾波器波導膜片濾波器波導膜片濾波器波導膜片濾波器仿真結果波導膜片濾波器仿真結果10.4010.6010.8011.0011.2011.4011.6011.80Freq GHz-60.00-50.00-40.00-30.00-20.00-10.000.00Y1Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 1C