波导滤波器设计.ppt

现代微波电路和器件设计4 波导滤波器设计 苏涛2008年春 波导滤波器设计 波导滤波器概述波导滤波器形式设计思想和CAD方法设计实例 波导滤波器概述波导滤波器是传输线滤波器的一种 波导滤波器的特点 低插耗 高功率容量一般的 波导滤波器由不连续处和传输线段组成 两者都可以等效为相应的集总参数元件和电路 波导不连续结构提供等效电抗 传输线段等效谐振腔等 波导滤波器的模式问题 TE10波导滤波器的性能是两端口TE10之间的波导不连续性结构产生高次模高次模对于主模TE10的作用相当于一个电抗 高次模时衰减的 而且衰减很快 所以是局部的 不均性中高次模对于主模相当于jB 波导带通滤波器 波导滤波器形式 对称膜片SymmetricalDiaphragm 纵向 横向条带Longitudinal Transversestrips 方柱 圆柱Square CircularPosts 设计思想和 方法 设计思想等效电路设计步骤 波导带通滤波器具有多种形式 共同点为什么采用这样的结构 为什么不用那样的结构 波导滤波器的通用CAD设计 模式匹配 FDTD HFSS CST IE3D复杂结构全波仿真和多变量优化费时费力 设计思想 电路综合理论和HFSS仿真相结合 BrianGray Ansoft ExternalOptimizationUsingAnsoftHFSS AB053 9905 May1999 MichaelBrenneman Ansoft AnsoftHFSSV7 OptimetricsTMCaseStudiesofOptimizationandParametrics 1999HFSSUserWorkshop 设计优化变量太多仿真计算时间过长 内存需求大可能得到非最优结果 原型滤波器 等效电路 waveguidefilter HFSS SBCohn Direct coupled resonatorfilters Proc IREpp187 96 Feb1957 等效电路 说明 具有倒置阻抗变换器的半波滤波器 低通原型带通 或其他 Butterworth低通滤波器原型 Chebyshev低通滤波器原型 低通到带通变换后 带通原理电路 在微波中不易实现 并联谐振腔电纳斜率 串联谐振腔电抗斜率 其中 频率变换后 带通滤波器原理电路 微波滤波器常用结构 阻抗变换器级联串联谐振 变换器和并联谐振回路类同 K阻抗变换器 或者变换的路径如下 阶梯 到单一元件低通 低通到带通 说明 变换器 1 4波长阻抗变换器 阻抗倒置变换器 其他形式的阻抗变换器等效电路 感性膜片结构 容性膜片结构 电纳 0 圆波导膜片和等效电路 说明3 传输线等效 传输线段 元件 电容 电阻 谐振腔 变换器 四分之一阻抗变换器 一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器 说明4 滤波器分析和综合 响应 电路 综合 分析 特定电路阶梯LCJ K变换器 非唯一 设计步骤 Step by stepprocedure optimizationofonedimensionineachstep 耦合膜片设计 传输线段设计 设计步骤 1 由滤波器指标得到原型电路 得到K变换器的值 2 膜片尺寸设计 耦合设计 使用HFSS优化膜片尺寸 得到要求的K变换器的值对应膜片的尺寸 3 传输线尺寸设计 谐振器设计 得到各传输线段的长度 优点 每一步仅仅有简单结构仿真 速度快 每一步仅仅有一个优化变量 收敛快速 以上步骤也可以没有CAD的参与 由理论分析得到膜片的等效电路值 并联电感和两段负的传输线 半波长的谐振腔吸收负的传输线 但是 对于某些形状的膜片解析分析是困难的和近似的 说明1 传统设计与CAD设计 说明2 结构 等效电路和模式 场 结构就是元件 就是电路深层次的原因在于场分布模式不同场不同 等效不同前面等效电路已有论述 如果两个膜片非常近 是否任然可以分解为单个膜片加传输线段的电路 高次模对于主模TE10的作用相当于一个电抗 高次模时衰减的 而且衰减很快 所以是局部的 相邻两个膜片较远时 一个的高次模无法到达另一个膜片 各自的影响是独立的 两个膜片模型是相同的 都是TE10激励 高次模电抗影响 相邻两个膜片较近时 一个的高次模会受到另一个的影响 两者是互相影响的 此时不能把相邻膜片分成两个单独的膜片处理 要考虑高次模的耦合 4 设计实例 DesignRequirementsf0 15 35GHzBW 32MHzS11 20dBS21 40dB f0 40MHz WR62 f0BWILRL Matthaei YoungandJones Microwavefilters impedance matchingnetworks andcouplingstructures ArtechHouse Norwood MA 1992 1a 由指标得到低通原型电路 1 滤波器原型电路设计 Example K 01 0 0775K 12 0 0048K 23 0 0034K 34 0 0032 1b 电路变换 得到K变换器的值 2 耦合设计 WR62波导 15 799mm 7 899mm 与文献有差别 PEC与有耗材料设置 计算精度 3 传输线段设计 DennefigurenerIKKEforf rsteresonator resonatorlengthl1 10 839mml2 11 346mml3 11 395mml4 11 395mml5 11 346mml6 10 839mm 1 2 最后 可以建立滤波器模型 进行全部结构的仿真 检验设计结果 在部分设计中 这一步是必须的 总体结果需要通盘考虑和进一步的修正 波导滤波器响应曲线 带有圆角的电感膜片滤波器 Designprocedure M Guglielmi SimpleCADprocedureformicrowavefiltersandmultiplexers IEEETrans MicrowaveTheoryTech vol42 pp1347 1352 July1994 折叠的电感膜