X波段电调滤波器的研究与设计(定稿1))(需打印)

1、摘要摘 要本文首先研究了传统的滤波器设计方法等效电路法，以低通原型等效电路为基础，引人K、J变换器，只有一种电抗元件，经过频率变换，实现需要的特性。主要通过查图表、曲线或者编程计算，获得所需不连续性的结构数值，完成滤波器的设计。应用这种方法，工程设计人员通过简单的计算解决复杂的电磁场问题，设计出满足要求的滤波器，但这种简化的模型设计，精度不高，器件的一致性难以保证。设计X波段电调滤波器，涉及的问题有波导E面电容销钉不连续性和波导H面电感销钉不连续性，针对目标要求我们进行了如下工作： 用复数分析法结合保角变换理论对矩形波导滤波器内部的电容销钉进行了详细分析, 通过求解电磁波在不连续处的传输系数和

2、反射系数，从而得到了全高电容销钉“T”形电路中参数的理论值。对非全高电容销钉，也进行了一定的理论分析，并用微波结构仿真软件进行了仿真，得到了一系列参考数据。为研究并解决X波段矩形波导电调滤波器中心频率在7800MHz8500MHz范围内的连续调谐问题，奠定了理论基础。 论述了模式匹配法的基本原理，分析了均匀柱形导波系统中的场和模式，引人功率归一化概念，对双端口网络的不连续性进行模式分析，推导出广义散射矩阵的通用表达式。根据S21的理论值，提出了一种特殊形式的耦合结构，并得到实际的结构尺寸。使X波段电调滤波器在7800MHz8500MHz范围内连续可调，并保持绝对带宽以及滤波特性基本不变，实现低

3、插损和高抑制度。 最后根据应用要求，通过HFSS、CST等三维仿真软件进行优化分析，设计并实现了工程上需要的X波段电调滤波器，给出了仿真和实测结果，并已应用于实际工程项目。关键词：等效电路法 电调滤波器 HFSS 复数分解法 模式匹配法 ABSTRACTABSTRACTThe method of the equivalent circuit being analysed first,as a conventional method of designing the filter, makes use of a low-pass prototype filter as a basis.A fil

4、ter using only inductances or only capacitances is realized by “K” (impedance) or “J” (admittance) inverters.Then through the frequency transformer ,the objective character is realized.The structure values of the discontinuities are obtained mostly from tabulations,graphs or program calculations. Us

5、ing this method ,the engineer can resolve complicated electromagnetic issues only by simple calculations to get a satisfactory filter.But it also has the disadvantage of low accuracy and is difficult to keep the consistency . As to the X-band tunable filter in this paper, we must analyse the E_plane

6、 capacitor and the H_plane inductance discontinuities.We do many works as follows:Spatial complex variables and conformal mapping function were presented to analyze in detail the capacitive post in rectangular waveguide. The reflection coefficient and transmission coefficient, from which the paramet

7、ers of T shape equivalent circuit of full-height capacitive post in rectangular waveguide can be received, are calculated. The partial height capacitive post is also analyzed mainly by microwave software and some valuable data gained. All these directly guides the design of the X-band tunable rectan

8、gular waveguide filter in the range of 78008500MHz. The basic principle of mode-matching method is discussed.The field and the modes in equal column waveguide system are analysed.The modes of the dual-port network discontinuity are analysed by introducing the conception of nomoralized power,then the

9、 common expression of the general scattering matrix is deduced .A special coefficient structure is raised based on the academic value of S21.Thus the practical structure of the X-band tunable filter is gained, keeping the absolute bandpass and the filter character invariable in the tunable range, lo

10、w insert loss and high rejectiong realized.According to the applications,the X-band tunable filter is designed and realized, applying the 3D simulation software,for example HFSS ,CST etc, for the simulation and the latter optimization.The X-band filter has been applied in the practical project.The r

11、esults of simulation and measurement are given out. Key words：the method of the equivalent circuit tunable filter HFSS Complex analysis theory mode-matching method目录目 录第一章 绪论11.1 微波滤波器简介31.1.1 微波滤波器的分类31.1.2 微波滤波器的主要指标51.2 与选题相关的国内外科技发展动态61.3 本文的主要工作81.4 论文的主要内容8第二章 微波滤波器设计的基本理论92.1 固定频率的微波滤波器的发展92.

12、2 低通滤波器原型及带通滤波器设计122.2.1 低通原型滤波器122.2.2 半集总元件低通滤波器152.2.3 K、J变换器172.2.4 带通滤波器的设计212.2.5 耦合系数法设计微波带通滤波器23第三章 矩形波导内E面不连续性销钉的分析293.1 电磁场的分析方法293.2 波导不连续性的介绍293.3 E面不连续性研究介绍313.4 矩形波导滤波器内E面不连续性销钉的分析323.4.1 介绍323.4.2 基本理论333.4.3 波导问题的求解373.5 矩形波导内E面不连续性销钉的分析41第四章 矩形波导内H面不连续性的分析454.1 模式匹配法基本原理454.2 均匀柱形导波

13、系统中的场和模式464.3 功率归一化494.4 双端口网络不连续性模式分析514.5 特殊形式的耦合结构的分析54第五章 X波段电调滤波器的设计与实现575.1 可调滤波器的发展575.2 X波段电调滤波器的方案选择585.2.1 滤波器结构的选取595.2.2 滤波器的插入损耗和承受功率615.2.3 7800MHz8500MHz全频段调谐625.2.4 扼流腔的设计645.3 X波段电调滤波器的设计655.3.1 腔体的设计655.3.2 耦合结构665.3.3 整体优化695.4 测试结果71第六章 结束语73致 谢75参考文献77研究成果817第一章 绪论第一章 绪论散射通信是利用散

14、射传播现象来进行超视距多路通信的一种无线电通信方式，他的信道是一种时变色散的衰落信道，其信道传输损耗很大，通常都在200分贝以上，且存在多种通信手段的干扰，因此要求通信系统具有很高的设备能力，保证通信畅通。电调滤波器是军事通信中最重要的抗干扰措施之一。一种通信设备组成原理图如图1，负责为通信系统提供收发通道的双工器部分若采用电调滤波器加环形器形式，就可以在工作过程中根据需要现场改变工作频率。如果不采用电调滤波器，又希望改变工作频率，只能采用宽带带通滤波器，通信设备工作频率在宽带带通滤波器带宽内可变，由于固定滤波器带宽远远大于实际工作信号带宽，因此该滤波器滤除不了发射的杂散，也滤除不了接收信号旁

15、边的干扰信号，这样实际的双工器系统不是最佳系统，将导致干扰信号通过双工器进入接收机，对接收机产生干扰，尤其是敌方干扰，干扰功率强度远远大于正常接收电平，对接收机将是致命干扰，会导致通信中断（如图2图4所示）。 图1 通信设备组成原理框图 X波段电调滤波器作为收发双工器的核心部分，是某散射通信系统能否实现的关键因素之一。从有关资料查得：美军通信干扰系统覆盖的频率范围越来越宽，目前已从1.2GHz扩展到3GHz频段，正在计划研制覆盖到5GHz频段的通信对抗系统。在X波段散射通信系统中，采用8GHz频段，与5GHz频段相比，从长远考虑更有利于远离敌有效通信对抗频段。对移动散射通信来讲，8GHz频段与

16、5GHz频段相比，一是波束更窄，被侦收难度更大；二是频段升高，传输损耗加大，就其旁瓣信号到达侦收设备的电平也更低，因此其抗侦收、抗截获能力更强。目前C波段移动散射通信技术已经是比较成熟的技术，其产品也在军用通信中广泛应用，但由于频段较低，不易实现小型化设计，设备体积大、重量大、天线口面大（2.4m），不能实现散射设备可搬移功能。采用X波段，在这方面就可以得到很好的改善，满足通信散射设备可搬移上山，进行跨域障碍通信的使用要求。近年来，对流层散射通信进入了迅速发展和广泛应用阶段，但L波段1GHz频段由于受民用移动通信的干扰很难使用，所以我军散射通信频段几乎全部集中在C波段。中国的散射通信频段在世界

17、上是比较少的国家，就连印度散射通信还有三个以上的通信频段。所以X波段散射通信的研制，对于中国的散射通信的发展具有划时代的意义，必将带来长远的价值。1.1 微波滤波器简介1.1.1 微波滤波器的分类微波滤波器可以按不同的观点进行分类42：根据滤波器的频率响应，可以分为四种基本类型：低通滤波器（LPF），高通波器（HPF），带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）。在设计方法上，一般以低通滤波器原型为基础，通过频率变换实现HPF、BPF和BEF的设计。而在结构形式上，主要有如下几种类型：（1）集总元件LC滤波器LC滤波器是一种历史最久、应用最广的滤波器，它的理论完整，结构简单，也是设计其它类型滤

18、波器的基础。采用集总参数元件制作LC滤波器，一般频率不宜太高。当频率高于1GHz时，由于分布参数影响严重而不易实现。（2）体声波/声表面波(SAW)滤波器SAW滤波器体积小，质量轻，一致性好，便于批量生产，性价比高，品质因数好，可广泛用于射频前端和中频系统，并可满足多模、多频段移动终端的SAW双工器或多工器。但SAW器件的插损一般较大（12dB），难于集成，同时在高频下难以适应大功率，一般只能用于2GHz以下的无线通信系统中。（3）螺旋滤波器螺旋滤波器属于分布参数滤波器，可以覆盖高频、甚高频直至微波低端的频段。由于内导体采用螺旋慢波结构而得名，功率容量大，加工难度大。（4）同轴滤波器同轴滤波器

19、广泛用于通信、雷达等系统。按腔体结构的不同，又分为标准同轴、方腔同轴等。同轴腔体具有高Q值、电磁屏蔽好、低损耗和小尺寸等优点，但在10GHz以上使用时，由于其微小的物理尺寸制作精度很难达到。（5）梳状线滤波器梳状线滤波器采用各种波长的容性负载金属棒作为谐振器，提供低损耗的紧凑设计。体积小、Q值适中、高端寄生通带较远。（6）微带/带线滤波器微带滤波器尺寸小，采用光刻技术易于加工，易与其它有源电路元件集成；另外还能通过选用不同的衬底材料在很大的频率范围内应用。常见的微带滤波器形式有：平行耦合微带滤波器、发夹型微带滤波器、交指型微带滤波器交叉耦合微带滤波器和阶梯阻抗微带滤波器等。此外，基于高温超导（

20、HTS）技术和低温共烧陶瓷（LTCC）技术的微带滤波器近年来也得到广泛应用。（7）陶瓷介质滤波器陶瓷介质滤波器是用微波陶瓷介质按TE010、TEM等模式要求制成的圆柱、圆环等形状的介质滤波器。其性能优良，插损小，有较高的功率承受能力，并可与天线、开关集成，原则上可用于很高频率，且价格低廉。（8）波导滤波器波导滤波器应用在通信、电子战、雷达、自动测量设备等微波设备中。它易于与波导天线的馈电装置连接，适于高功率应用，具有高品质因数和低损耗特性，加工方便。为了更加直观地比较不同形式的微波滤波器的差别，我们将常用的几种微波滤波器的应用频率范围和特点进行比较，如表1.1所示：表1.1常用微波滤波器应用范

21、围和特点 滤波器形式应用频率范围特点集总元件300 KHz3GHz任意拓扑结构、易加工体声波小于100MHz微型化、低损耗、适合窄带、温度特性好声表面波100MHz2GHz体积小，质量轻，一致性好，品质因数高螺旋20MHz1.2GHz功率大、加工难、尺寸大、成本高同轴150MHz10GHz电磁屏蔽好、低损耗、小尺寸梳状线150MHz16GHz低损耗、结构紧凑、Q值适中介质1.0GHz50GHz低损耗、小尺寸、温度稳定性好带线/微带大于500MHz尺寸小、易加工集成、插损大波导1.5GHz75GHz高Q值、低插损、大功率容量、易加工从微波滤波器的工作机理上，又分为直接耦合滤波器、交叉耦合滤波器6

22、1、双通带（多通带）滤波器、超宽带滤波器、双模滤波器和可调滤波器等。但这种分类并无严格界限，而且往往相互交叠。1.1.2 微波滤波器的主要指标滤波器经常用来抑制干扰信号，而让有用信号顺利通过。衰减特性是滤波器的主要技术指标，也是综合设计的基本出发点，但它不是唯一的技术指标。对微波滤波器而言，常提的技术要求为45：1. 截止频率(对低、高通滤波器而言)，或中心频率和通带边频 、 (对其它滤波器而言)。2. 通带最大衰减，在电抗滤波器中就是最大反射衰减；如果含有耗能元件，则还包含有吸收衰减。3. 阻带最小衰减及相应的阻带边频。这两个数值能表示出衰减特性曲线的陡峭程度，当一定时， 越大，表示曲线越陡

23、；固定时，离越近，则曲线越陡。4. 寄生通带：这是设计微波滤波器必须考虑的问题，因为微波滤波器适用分布参数元件，当频率改变时，这些元件的阻抗不仅数值改变，而且性质也会改变，感抗变容抗，容抗变感抗，因此原来是阻带的频段，有可能变成了通带，这种在阻带中出现的通带成为寄生通带。在设计中，应使寄生通带避开需要抑制的频率。5. 插入相移和时延特性：把滤波器的插入相移作为频率的函数画成曲线就是其插入相移特性。插入相移与（角）频率之比称为滤波器的时延，把 作为的函数画成曲线是其时延特性。从插入相移特性曲线的斜率可以定出其群时延 。群时延也可以画成曲线。上述、和等特性，虽然不象衰减特性那样，影响功率传输，但对

24、讯号的传输却有很大影响，为了保证信号通过滤波器后获得所给定的相移，以及保持信号不失真，设计滤波器时需要对这些指标提出相应的要求。6. 其它一些要求：如承受功率、调整方便等。 1.2 与选题相关的国内外科技发展动态 电流在对流层中的散射传播现象是20世纪30年代发现的38，对流层散射通信作为一种通信手段付诸使用在国外已有四十多年的历史。对流层散射通信的发展大体分三个阶段：20世纪60年代中叶以前是模拟散射设备的开发的发展时期，在此期间对散射传播机理进行了大量研究，并研制出模拟散射通信设备，建立了大量的模拟散射通信线路。20世纪70年代初到70年代中叶，数字对流层散射通信技术发展较快。从20世纪7

25、0年代中叶至今各国针对对流层散射信道传输数字信号的有关技术问题，主要研究适合于散射信道传输的调制解调技术，编解码技术分集合并技术，失真自适应技术和装车技术，并在高可靠性、实用性上取得了明显进展。随着现代化战区电磁环境的日益复杂化，散射通信方式的抗干扰、抗侦收、抗核爆等独到的特点，已令人神往地显示出来，难怪国外军事专家断言：在未来战争情况下，散射通信很可能成为为数不多的通信手段之一。归纳起来，散射通信的应用发展方向是：（1）建立以散射、卫星、微波接力为基础的数字通信交换网（2）建立以散射通信、视距接力站为基础的野战数字化通信系统（3）大力开发自适应中容量（通常传输速率为2Mb/s）散射通信技术，

26、以适应军方对战区通信不断增长的需求（4）大力扩展工作频段，扩大通信容量，增加单跳通信距离，提高通信的抗扰能力和隐蔽性（5）在通信网中大力增加性能好，机动性强，单跳距离远的窄带战术散射通信机散射通信在军事通信中具有其他通信手段无法取代的地位和作用，国外专家认为，在现代化核战争条件下，散射通信比起其他无线通信手段具有更强的顽存能力和更高的可靠性，是能可靠指挥部队的不可多得的主要通信方式之一。因此，散射通信有着极其广阔的应用前景。1、 国外移动散射通信系统的简单介绍：1994年，美国COMTECH公司受美国国防部的委托，用S-575自适应调制、解调器取代AN/TRC-170的调制、解调器，从而开发出

27、带有自适应均衡功能的8Mb/s对流层散射机。该机除广泛用于美国陆、海、空军及预警系统外，还远销以色列、巴西、新加坡、马来西亚、越南及英国。美国是目前世界上8Mb/s散射机走向使用阶段的国家之一最近，美国雷声公司设备部通信分部又研制了工作频率为14.3-15.3GHz的轻型战术散射通信系统，其典型应用领域为传感器的跟踪数据分发，为美国空军战术空军控制系统（TACS）和美国陆军移动用户设备系统提供多信道节点间干线传输以及用做陆军战术指挥和控制系统，该设备是一种轻便型、高机动的通信装备，该机装在0.25吨的拖车上，在50100km的通信距离上能传1Mb/s的数据，该系统采用窄波束，自适应零位天线，跳

28、频、纠错编码和交织技术，从而提高了抗干扰能力和抗衰落能力。系统中采用了安装在一根12米高液压升降杆上的具有单脉冲自校、最佳方向纠偏功能直径为60厘米的小型天线，该设备便于灵活的选取地址，便于快速架设（工人15分钟便可架设完毕）。2、 我国的移动散射通信系统的现状与发展：我国自50年代末开始研究散射通信理论和对流层散射通信设备，四十多年来，已先后研制出TS-398、TA-506、TS-510、GS-110、GS-111、GS-112、GS-113、GS-310等多个型号的对流层散射通信设备。进入80年代以来，散射通信在军、民各个领域越来越多地被采用，车载移动散射通信系统的问世有为散射通信设备拓宽

29、了应用领域。90年代以后，我们的散射通信设备已出口到国外。在通信技术高度发展的今天，随着科学技术的发展与进步，对流层散射通信设备的功能与性能日益完善，结构自动化程度，性能比，设备可靠性，通信传播可靠度越来越高，为散射通信的应用打下了良好的基础。目前散射通信正沿着通用化、标准化、小型化、智能化的方向发展。高分集重数接收技术、失真自适应接收技术、自适应均衡技术、固态功放技术、纠错编码技术的迅速发展和应用，必将使新一代抗干扰、高可靠、高机动、小型化的散射通信设备在今后的通信领域发挥越来越重要的作用。1.3 本文的主要工作通过对相关文献资料的阅读和技术知识的学习掌握，在进行大量软件仿真和电路试验的基础

30、上，论文主要完成了以下几个方面的工作：（1） 作为论文的预备知识，简单介绍微波滤波器的分类及其主要指标，并对设计微波滤波器的理论基础进行展开和分析。（2） 用复数分析法结合保角变换理论对矩形波导滤波器内部的E面（窄边插入）不连续性电容销钉进行了详细分析,（3） 引人模式匹配法，对矩形波导滤波器内部的H面（宽边插入）不连续性分析和研究。（4） 对电调滤波器这一特殊形式的滤波器，就其使用范围、作用和设计要点及分类等进行研究和阐述，提出本文所重点研究的X波段电调滤波器的方案，并根据理论分析结果，应用三维仿真软件，设计出了该滤波器的所需结构数值，然后出图进行了加工制作，最后给出仿真和实测结果。1.4

31、论文的主要内容本文的内容安排如下：第一章 介绍微波滤波器的应用领域、技术指标和发展历程，并介绍了与本文所述滤波器相关的散射通信系统在国内外的发展概况。第二章 详细阐述了微波滤波器设计的基本理论。第三章 介绍矩形波导滤波器内部的E面不连续性电容销钉。第四章 介绍了模式匹配法的基本知识，并由此引人波导H面不连续性的研究。第五章 介绍了电调滤波器的发展，然后根据分析选择合适的方案，设计并研制了X波段电调滤波器。给出X波段电调滤波器的实测数据曲线，并针对测试结果进行了分析。最后对X波段电调滤波器的研究和应用进行了总结和展望。27第二章 微波滤波器设计的基本理论第二章 微波滤波器设计的基本理论传统设计滤

32、波器的通用原则是首先给出满足要求的低通原型网络参数，常用的有以下三种原型：巴特沃斯最大平坦响应原型；切比雪夫等波纹响应原型；椭圆函数原型。然后再经过频率变换，得到所要求的滤波器。它是建立在集总参数基础上的，对具有分布参数元件的准确性不高，如果再结合比较好的优化技术，也不失为一种设计滤波器的较好方法。另外一种是建立在场分析上的模式匹配法，这种方法是先求出总的散射矩阵，然后再对整个散射矩阵进行优化，这种方法的关键要依赖于高效的优化技术以及相当多的CPU时间。本章首先讨论固定频率微波滤波器的发展，然后着重研究用通用方法设计带通滤波器的基本理论。2.1 固定频率的微波滤波器的发展对固定频率微波滤波器的

33、研究开始于二战以前，在1937年，开始使用A,B,C,D参数计算滤波器的影像阻抗、影像相位以及衰减函数，这时期还没出现矩阵理论。在二战时期，即1941-1945年，以美国为首的国家在研究微波滤波器方面取得了重大的进步，具体来说，美国的一些研究机构比如：M.I.T.射频实验室、哈佛无线电研究所、贝尔实验室等分别在波导腔体滤波器，宽带低通、带通、高通同轴腔滤波器，窄带可调同轴腔滤波器等方面做出了重大的贡献。与此同时，微波场论及网络理论的雏形已经具备，微波滤波器已经涉及到许多先进的领域，例如有限频率衰减极点滤波器的设计和双模腔体滤波器的设计。在1957年，Cohn 1 发表了一篇关于直接耦合腔体滤波

34、器的论文即“Directcoupledresonator filters”，这篇文章弥补了以前理论的不足，并且设计公式相对简单，容易为工程专家应用。多腔波导滤波器也随之而生。同年，窄带微波滤波器又发展到等波纹切比雪夫响应（此前响应曲线是巴特沃斯类型），设计公式已经触及到6腔的情况。1963年，Leo Young 2 对直接耦合滤波器的理论又进行了专门研究，他主要应用分布原型来扩展滤波器的带宽，分布原型就是多节低通滤波器或者多节四分之一波长变换器相级连，在中心频率处, 带通滤波器的串联电感或并联电容与低通原型中的元素相对应，从而使得到的响应曲线与低通原型的响应曲线相对应。当然，两者还不完全一致，

35、要通过校正因子来校正。总之，分布原型可以通过准确的分析技术得到。在1967年，R.Ley3 发表了一篇文章，这篇文章将Cohn和Leo Young的设计理论联系了起来，并推导出了非常直接的设计公式，假如滤波器的参数如腔数、通带波纹类型、带边频率已知，可以通过简单的公式得到正确的分布原型, 可以用传输线理论分析得到滤波器的元件值，还可以得到滤波器的阻带衰减特性。这一理论不能应用到带宽非常宽的滤波器，尤其对于电感耦合的波导结构，其上阻带已经消失，实际就变成了高通滤波器，这是集总电路和分布电路的混合电路，对于这类电路的理论研究从二十世纪中期一直到现在都没有停止过，这样的一个问题不可能得到准确的解答，

36、许多科学家的工作只是让近似结果更为准确一些。关于分布参数理论与集总电路理论我们简单介绍一下，最早报道二者关系的是Paul. I. Richards 4，他发表了一篇文章，其中建立了二者之间的简单等效关系，即，换句话说,电感值为L的一个电感相当于电抗为L的一段短路线，这样分布电路中的线长度必须是电长度k，这就是所谓的网络。在此以后，绝大多数分布参数的微波理论研究基本上都是在Paul I. Richard的基础上进行的，其中，最为通用的也是最有价值的贡献是Ozaki和Ishii 5在1958年提出的一套变换理论，这在当时引起了极大的轰动，被认为是具有非常价值的文献。这一变换将表示线特性阻抗的元素引

37、入到网络中，以此从物理角度来分辨一定长度的短路和开路线带来的影响。然而，最重要的发明当然是传输线理论，传输线理论是微波电路设计和计算的理论基础，传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用。电路理论和传输线理论之间的关键不同就在于电尺寸，电路分析要假设一个网络的实际尺寸远小于工作波长，而传输线的长度则可以与工作波长相比拟或为数个波长。传统的滤波器设计采用网络综合的方法。所谓网络综合，指的是预先规定元件特性而用网络去实现的一个过程。它大致包括三个步骤：（1）提出目标，即理想响应；（2）选用可能的函数去逼近理想响应；（3）设法实现具有逼近函数特性的网络。根据采用的逼近函数不同，一般有Butter

38、worth综合、Chebyshev综合、圆函数综合等经典的滤波器综合方法16-17。在微波滤波器理论的研究和发展过程中，许多专家和学者作出了重大的贡献。L.Matthaei在专著中对微波滤波器的经典设计方法做了比较全面和系统的介绍；S.B.Cohn在集总低通原型基础上首次提出了简单实用的直接耦合谐振式滤波理论18；L.Young在分布低通原型基础上将该理论推广到宽带和低纹波情形19； S.O.Scanla建立了线性相位滤波器理论21；S.B.Cohn第一次把计算机优化技术用于微波滤波器的设计22；H.J.Orchard提出了用于微波滤波器综合的迭代分析法22；A.E.Atia和R.J.Came

39、ron先后提出了用耦合矩阵来综合滤波器的方法23-25；S.Amari则给出了耦合矩阵的梯度优化以及具有源和负载耦合的滤波器综合的通用迭代技术26-27，这些都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。随着计算机技术的发展，各种各样的商业电磁仿真软件相继出现，滤波器的设计变得相对简单。商业软件有些可以进行滤波器的原理电路综合，有些可以进行滤波器的结构仿真优化。一方面降低了设计难度，另一方面也缩短了研制周期。目前，微波射频领域主要的EDA工具首推Ansoft公司的HFSS、Designer软件和Agilent公司的ADS软件，此外还有CST，Microwave Office，Zeland，XFDTD

40、，Sonnet等其它商业软件28-31。表2.1给出了这几种常用微波EDA商业电磁仿真软件的基本概况。为了降低微波滤波器调试的难度和提高调试的效率,最近在滤波器的大规模生产中还引入了针对某些特殊滤波器结构形式的计算机辅助调试技术，大为减少了调试对于工程经验的依赖性32。表2.1 常用微波EDA商用电磁仿真软件概况软件名称开发公司基于算法主要用途ADSAgilent矩量法微波电路和通信系统仿真Ansoft HFSSAnsoft有限元法三维结构电磁全波仿真Ansoft DesignerAnsoft矩量法微波电路综合与电磁结构仿真CST Microwave StudioCST有限积分法三维结构电磁全

41、波仿真Microwave OfficeAWR 矩量法微波平面电路设计Zeland IE3DZeland矩量法微波平面电路与结构电磁仿真2.2 低通滤波器原型及带通滤波器设计 集总元件低通滤波器是现代滤波器的设计基础，各种各样的低通、高通、带通、带阻微波滤波器，其传输特性大都是根据此原型特性推导出来的。正是这个原因，才使得微波滤波器的设计得以简化，精度得以提高。而这种以衰减和相移函数为基础来设计的方法，我们一般称为网络综合法，它是利用网络综合理论，先求出集总元件低通原型电路，然后利用适当的频率变换公式，变换为所需要的高通、带通、带阻滤波器，最后将集总元件原型电路中各元件用微波结构来实现。网络综合

42、法设计微波带通滤波器，首先从集总参数低通原型滤波器开始研究，引入导抗变换器，将低通原型滤波器变换成只用一种电抗元件来实现，然后根据频率变换，转化为集总元件带通滤波器。把导抗变换器看成耦合器，形成完备的集总参数带通滤波器。而我们本文讨论的重点，微波腔体带通滤波器，就是在这个基础上讨论如何在通带频率附近用分布参数来实现。下面一步步来介绍：2.2.1 低通原型滤波器图2.2-1示出低通滤波器的理想化衰减-频率特性（滤波器的衰减-频率特性，工程上常称为“滤波器响应”）。纵坐标表示衰减，横坐标为角频率。由图可见，在范围内衰减为零，称为“通带”，后衰减为无限大，故称为“阻带”。而称为“截止频率”。事实上，

43、如此理想的特性是无法实现的，只不过力图逼近此曲线而已。根据所选逼近函数的不同，而有不同的响应。图2.2-2就是两种常见的响应。（a）图所示的响应通带顶部最平坦，故称为“最平坦响应”，也叫做“巴特沃斯（Butterworth）响应”。（b）图所示的响应通带衰减有规律性的起伏，且幅度相等，称为“等波纹响应”，也叫做“切比雪夫（Tchebyscheff）响应”。LA0图2.2-1 低通滤波器的理想化衰减-频率特性0（a）最平坦响应LAr0（a）切比雪夫响应LArLALA图2.2-2 低通原型滤波器的衰减-频率特性图2.2-3示出一种双终端低通原型滤波器的梯形电路，是电路中各元件的数值，它们是由网络综

44、合法得出的。n为奇数n为偶数(a)(b)n为奇数n为偶数 图2.2-3 低通原型滤波器的电路在图2.2-3中（a）和（b）两电路互为对偶，两者都可用作低通原型滤波器，其响应相同。由于该电路是可逆的，故既可把左边的电阻看成信号源的内阻，也可以把右边的电阻看成信号源的内阻。图中各元件的物理意义如下：串联电感或并联电容=若=（即电容输入），则为信号源的电阻若=（即电容输入），则为信号源的电导=若=，则为负载电阻若=，则为负载电导=按照上述意义，不管用图2.2-3中哪种电路为原型，其元件的数值不变。在实用中，通常都把低通原型的元件数值对归一化，而频率对归一化，即=1，=1。由于所选用的响应不同，这种归

45、一化的元件值也不同，目前对于不同响应的元件值，其求解方法已经非常成熟，甚至在很多仿真软件（如ansoft系列）都可以直接综合得到。常用的最大平坦型和切比雪夫型的g值求解方法及具体公式如下：a) 最平坦响应的设计公式： （dB） （2-1） (2-1)， k1,2,n （2-2）对最平坦滤波器而言，常选LAr=3dB，则 就是它的3dB通道宽带（简称带宽）。b) 切比雪夫响应设计公式：（2-3） 式中LAr 是通带内衰减最大值。这种特性同样可用图2.1-3的梯形电路来实现。式中的n，就是该电路的电抗元件数目。若n为偶数，则响应内LA =0的频率有个；若n为奇数，则LA =0的频率有 个。对于两端

46、都接有电阻的双终端切比雪夫低通原型滤波器，设其通带波纹为LAr，=1，=1（归一化），则其它各元件数值可用下式来计算： ，（2-4） k2,3,n 式中： ， ， 1,2,n ， 1,2,n按照上述步骤归一化后的低通原型很容易变换成其他阻抗水平和频率标度的滤波器的元件值，其变换公式如下：对于电阻或电导： 或 对于电感： 对于电容： 在这些公式里，带“撇”的量是归一原型的，不带“撇”的量是需要变换的电路的。对于2.2-3而言，或，。2.2.2 半集总元件低通滤波器在低频电路中，低通滤波器是由集总参数电抗元件（电感和电容）所组成。因此构成微波低通滤波器的最直接的方法，就是用分布参数传输线段来模拟集

47、总元件，这种微波结构可称为“半集总元件”或“准集总元件”，而用他们组成的滤波器可称之为“半集总元件微波滤波器”。设计半集总元件微波滤波器时，必须了解如何在微波波段内实现各种集总元件，下面简要讨论用TEM短截想线来实现串联电感和并联电容，如图2.2-4。TT ( b)lTTTT(a)(c) 图2. 2-4 TEM短截线的等效电路 图2.2-4示出TEM短截线的准确T形或形等效电路及其计算公式。当短截线很短或不需要很精确时，常可认为只表示一个单独电抗元件。图中，若其为两端接有低阻抗的高阻抗线，则（c）并联电纳B很小，而与其并联的又是电纳甚大的低阻抗线，故此并联电纳B可以忽略，因而等效电路（c）中只

48、有一个串联感抗X。若此TEM短截线是两端接有高阻抗的高阻抗线，则图（b）中两边的串联电抗X很小，而与其串联的又是电抗很大的高阻抗线，故此串联电抗X可以忽略，因而等效电路（b）中只有一个并联电容。因而在TEM微波滤波器中用高阻抗线实现串联电感，用低阻抗线实现并联电容。 以此理论为基础把若干高阻抗线和低阻抗线交替级联起来，制成了与梯形LC低通原型滤波器等效的形状颇似糖葫芦的半集总元件低通滤波器。技术指标要求为：n=7，截止频率为800MHz，插入损耗：0.5dB，电压驻波比：1.3，从容易加工和实现的角度，这里选择阻抗10为低阻抗线实现并联电容，阻抗120的高阻抗线实现串联电感，详细的设计步骤和具

49、体公式见文献43。其结构尺寸如图2.2-5所示： 图2.2-5 糖葫芦式低通滤波器的结构尺寸 其测试曲线为如图2.2-6： 图2.2-6 糖葫芦式低通滤波器测试图2.2.3 K、J变换器 微波滤波器理论指出，由低通原型变换成的带通滤波器，结构上很难实现，这是因为其中含有很多电感和电容，或者串联电路或者并联电路连接在一个点上，所以通常要把电路经过一定的变换变成只有一个或多个电感元件的电路。如图2.2-7（a），K变换器是这样一种四端口网络，它的输入电压、电流，输出电压、电流应满足如下方程：矩阵为 相移为，当端口接负载时，输入电阻为： (2-5) （a） K变换器 （b） J变换器 图2.2-7 阻抗变换器和导纳变换器的定义同理，对于图2.2-7（b）J变换器网络，它的输入电压、电流，输出电压、电流应满足 (2-6)其矩阵为 网络相移为，当输出端