现代微波电路与器件设计4波导滤波器设计

现代微波电路与器件设计4波导滤波器设计第1页/共47页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方法设计实例第2页/共47页１、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。第3页/共47页第4页/共47页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第5页/共47页波导带通滤波器２、波导滤波器形式第6页/共47页对称膜片SymmetricalDiaphragm纵向/横向条带Longitudinal/Transversestrips方柱/圆柱Square/CircularPosts第7页/共47页３、设计思想和ＣＡＤ方法设计思想等效电路设计步骤第8页/共47页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仿真相结合第9页/共47页port2port1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundaryBrianGray,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第10页/共47页port2port1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary原型滤波器(等效电路)waveguidefilter(HFSS)SBCohn“Direct-coupled-resonatorfilters”Proc.IREpp187-96,Feb1957等效电路第11页/共47页说明１：具有倒置阻抗变换器的半波滤波器低通原型带通（或其他）第12页/共47页Butterworth低通滤波器原型第13页/共47页Chebyshev低通滤波器原型第14页/共47页低通到带通变换后，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第15页/共47页微波滤波器常用结构，阻抗变换器级联串联谐振。Ｊ变换器和并联谐振回路类同。K阻抗变换器第16页/共47页或者变换的路径如下：阶梯ＬＣ到单一元件低通低通到带通第17页/共47页说明２：Ｋ／Ｊ变换器第18页/共47页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×第19页/共47页电纳Ｂ>0第20页/共47页第21页/共47页圆波导膜片和等效电路第22页/共47页说明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第23页/共47页一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。第24页/共47页说明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

非唯一第25页/共47页设计步骤port2port1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary

Step-by-stepprocedure

-optimizationofonedimensionineachstep耦合膜片设计传输线段设计第26页/共47页设计步骤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；第27页/共47页

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设计第28页/共47页说明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第29页/共47页

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。第30页/共47页4、设计实例DesignRequirementsf0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHzWR62第31页/共47页f0

BWILRL*Matthaei,YoungandJones“Microwavefilters,impedance-matchingnetworks,andcouplingstructures”,ArtechHouse,Norwood,MA,1992Example:f0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHz

6thorderChebychevfilterprototypeelementsg0=1.0000g1=0.8836g2=1.3966g3=1.7894g4=1.5528g5=1.6095g6=0.7667g7=1.1524（1a）由指标得到低通原型电路1、滤波器原型电路设计第32页/共47页Example:K´01=0.0775K´12=0.0048K´23=0.0034K´34=0.0032（1b）电路变换，得到K变换器的值第33页/共47页2、耦合设计Coupling S21(dB)1 -16.142 -40.403 -43.474 -43.935 -43.476 -40.407 -16.14diameter offset d1=2.50mm do1=3.845mm d2=3.50mm do2=3.135mm d3=3.50mm do3=2.960mm d4=3.50mm do4=2.972mm d5=3.50mm do5=2.960mm d6=3.50mm do6=3.135mm d7=2.50mm do7=3.845mm WR62波导：15.799mm*7.899mm第34页/共47页第35页/共47页与文献有差别！（PEC与有耗材料设置？计算精度？——）第36页/共47页3、传输线段设计DennefigurenerIKKEforførsteresonatorresonatorlength l1=10.839mm l2=11.346mm l3=11.395mm l4=11.395mm l5=11.346mm l6=10.839mm

第37页/共47页1第38页/共47页2第39页/共47页

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。第40页/共47页波导滤波器响应曲线第41页/共47页带有圆角的电感膜片滤波器第42页/共47页Designprocedure: M.Guglielmi,SimpleCADprocedureformicrowavefiltersandmultiplexers,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol42,pp1347-1352,July1994折叠的电感膜片滤波器第43页/共47页05