现代滤波器设计讲座3波导滤波器设计

现代滤波器设计讲座3波导滤波器设计第1页/共122页腔体级联耦合波导滤波器第2页/共122页对称膜片纵向条带方柱横向条带圆柱矩形波导滤波器常见类型第3页/共122页波导滤波器设计举例设计参数：f0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHz滤波器从14.9到15.35GHz连续可调BJ-140波导技术参数：a=15.8mm;b=7.9mm;工作频率范围：11.9~18GHz第4页/共122页滤波器原型1a) Obtainlow-passprototypeparameters(gi)fromfilterspecifications(seee.g.Matthaei*)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第5页/共122页带K变换器滤波器模型1b)

CalculateK-inverters(band-passprototypeparameters)Example:K´01=0.0775K´12=0.0048K´23=0.0034K´34=0.0032第6页/共122页K变换器的S参数在滤波器中心工作频率第7页/共122页K变换器计算模型利用对称面可以简化模型；计算K值；计算附加相移；第8页/共122页优化耦合系数Forallcouplings:OptimizecouplingtogivetherightK-invertervalueatthecenterfrequencyCoupling 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 第9页/共122页优化谐振腔长度Forallresonators:calculateresonatorlength,finetuneuntilthestructureresonatesatthecenterfrequencyDennefigurenerIKKEforførsteresonatorresonatorlength l1=10.839mm l2=11.346mm l3=11.395mm l4=11.395mm l5=11.346mm l6=10.839mm

第10页/共122页滤波器测试结果Designedat15.35GHzTunablefrom14.9to15.35GHzMeasuredat15.32GHz第11页/共122页datacenteredonf0仿真与测试结果比较第12页/共122页利用周期结构提高带外抑制第13页/共122页利用EBG结构缩短波导滤波器长度第14页/共122页利用交叉耦合产生传输零点第15页/共122页波导交叉耦合滤波器的特点受到几何结构的限制波导交叉耦合滤波器多数采用对称结构。ERDEMOFLI,“ANALYSISANDDESIGNOFMICROWAVEAND

MILLIMETER-WAVEFILTERSANDDIPLEXERS”,SWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGYZURICH,DoctoralThesisETHNo.15771第16页/共122页E平面金属插片交叉耦合滤波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第17页/共122页四腔交叉耦合滤波器returnlossis20dBcenterfrequency11.55GHzbandwidthof200MHz第18页/共122页仿真计算结果其中，虚线是无交叉耦合的仿真结果。实线是有交叉耦合的结果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模第19页/共122页Ka波段四腔交叉耦合滤波器设计f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第20页/共122页仿真计算结果其中，虚线是无交叉耦合的仿真结果。实线是有交叉耦合的结果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模第21页/共122页实际制作的Ka波段交叉耦合滤波器为了测试实际制作的滤波器增加了弯波导段第22页/共122页Ka波段交叉耦合滤波器测试结果图中，MMT是模式匹配法；Meas是测试结果第23页/共122页产生非对称零点的四腔滤波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第24页/共122页非对称零点四腔滤波器仿真结果f0=30.25GHz,BW=500MHz；RL=20dB第25页/共122页源与负载直接耦合使用源与负载直接耦合可以提高滤波器性能，但源与负载之间的耦合孔要求更高的加工精度。第26页/共122页包含源与负载直接耦合的2腔滤波器第27页/共122页仿真结果其中，虚线是无源与负载耦合的仿真结果。实线是有源与负载耦合的结果。第28页/共122页使用抑制谐振器产生传输零点第29页/共122页使用抑制谐振器产生传输零点在1980年R.J.Cameron提出了使用抑制谐振器（RejectionResonator）产生滤波器传输零点的方法。这项技术除了应用于波导滤波器以外，还被用于梳状结构滤波器和介质滤波器等结构滤波器的设计。这项技术也被称作零腔技术。由于使用这种方法产生的零点，只与抑制谐振器和相关的耦合结构有关。因此传输零点的设计比较灵活。J.D.RhodesandR.J.Cameron,“Generalextractedpolesynthesistechniquewithapplicationtolow-lossTE-modefilters,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.MTT-28,pp.1018–1028,Sept.1980.第30页/共122页抑制谐振器产生传输零点的原理在传输回路中连接分支电路，分支电路的一端连接一个（或数个）专门产生传输极点的谐振器。这些谐振器被称作抑制谐振器。第31页/共122页采用抑制谐振器的等效电路Amari,“SynthesisandDesignofNovelIn-LineFilters

WithOneorTwoRealTransmissionZeros”，IEEETRANS.ONMTT,VOL.52,NO.5,MAY2004,1464-1478第32页/共122页使用1个抑制谐振器的3阶滤波器第33页/共122页使用2个抑制谐振器的3阶滤波器第34页/共122页使用抑制谐振器的滤波器结构第35页/共122页三阶滤波器零点高于中心频率第36页/共122页三阶滤波器零点低于中心频率第37页/共122页T.Sieverding

设计的滤波器T.SieverdingandF.Arndt,“FieldtheoreticCADofopenoraperturematchedTjunctioncoupledrectangularwaveguidestructures,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.40,no.2,pp.353–362,1992.第38页/共122页二阶滤波器具有2个零点R.Montejo-Garai,“SynthesisandDesignofIn-LineN-OrderFiltersWith

NRealTransmissionZerosbyMeansofExtracted

PolesImplementedinLow-CostRectangular

H-PlaneWaveguide”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.5,MAY20051636-1642第39页/共122页三阶滤波器具有1个零点第40页/共122页四阶滤波器具有2个零点第41页/共122页八阶滤波器具有2个零点第42页/共122页使用抑制谐振器设计双工器的实例技术要求：第43页/共122页滤波器拓扑结构低通带和高通带使用同一结构。第44页/共122页上通带滤波器综合曲线第45页/共122页双工器整体结构第46页/共122页双工器仿真结果和测试结果仿真曲线测试曲线第47页/共122页利用非谐振节点产生传输零点第48页/共122页利用非谐振节点产生传输零点SmainAmari在2004年把非谐振节（Non-ResonatorNode）点引入滤波器设计。并在其后发表了多篇论文介绍引入非谐振节点后传输矩阵的推导方法。使用非谐振节点产生传输零点具有结构简单，在波导结构上容易实现的特点。引入非谐振节点后N个谐振器可以实现N个传输零点。而不必引入源与负载耦合。使用非谐振节点可以很容易地把多个滤波网络组合在一起。不会影响各个网络的滤波特性。

SmainAmari,UweRosenberg,,andJensBornemann,“Singlets,CascadedSinglets,andtheNonresonatingNodeModelforAdvancedModularDesignofEllipticFilters”，IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.14,NO.5,MAY2004，237-239第49页/共122页非谐振节点产生传输零点的原理单谐振腔产生传输零点的基本电路第50页/共122页非谐振节点产生传输零点的原理用非谐振节点把单谐振腔连接起来，可以保持原来的传输零点和滤波特性。第51页/共122页使用非谐振节点滤波器低通模型Amari,“In-linePseudoellipticBand-RejectFiltersWith

NonresonatingNodesand/orPhaseShifts”,IEEETRANSONMTT,VOL.54,NO.1,JANUARY2006,428-436第52页/共122页使用非谐振节点的3阶滤波器结构第53页/共122页使用非谐振节点的3阶滤波器测试结果第54页/共122页用非谐振节点产生传输零点例子S.Cogollos,“SynthesisandDesignProcedureforHighPerformanceWaveguide

FiltersBasedonNonresonatingNodes”，MicrowaveSymposium,2007.IEEE/MTT-SInternational

3-8,June2007Page(s):1297-1300第55页/共122页6阶单腔3模滤波器第56页/共122页6阶单腔3模滤波器测试结果Amari,“NewIn-LineDual-andTriple-ModeCavity

FiltersWithNonresonatingNodes”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.4,APRIL2005,1272-1279第57页/共122页利用过模谐振器产生传输零点第58页/共122页概述利用过模谐振器产生传输零点的技术最早在2001年由MarcoGuglielmi提出。产生传输零点的过模腔体有多种结构。既有使用非简并模式的过模波导滤波器，也有使用简并模式的过模波导滤波器。利用过模谐振器产生传输零点具有结构简单，容易加工的特点。在毫米波波段，具有很好的发展前景。

M.Guglielmi,P.Jarry,E.Kerherve,O.Roquebrun,andD.Schmitt,“Anewfamilyofall-inductivedual-modefilters,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.49,no.10,pp.1764–1769,Oct.2001.第59页/共122页非简并模式过模滤波器模型Bornemann,J.;Amari,S.;Vahldieck,R.;“AflexibleS-matrixalgorithmforthedesignoffoldedwaveguidefilters”，MicrowaveConference,2005European

Volume1,

4-6Oct.2005Page(s):4pp.

第60页/共122页非简并模过模滤波器单元等效电路非简并模过模滤波器单元电路可以等效成下面的拓扑结构。在2次模对应的频率，产生传输零点的条件是与符号相反。第61页/共122页耦合量与耦合孔位置的关系

基模第62页/共122页耦合量与耦合孔位置的关系

2次模第63页/共122页耦合量与耦合孔位置的关系

3次模第64页/共122页非简并模过模滤波器单元等效电路当开口位置靠近1/3处时，对3次模的耦合很小，可以忽略。传输零点位于高端。第65页/共122页非简并模过模滤波器单元等效电路当开口位置靠近边缘处时，对基模的耦合较小小，可以忽略。传输零点位于低端。第66页/共122页非简并模过模谐振器产生传输零点在E面插片波导中，利用过模谐振器也可以产生传输零点。第67页/共122页Q波段4腔滤波器Fig.4.7(a),f0=38.80GHz,BW=500MHzandRL=23dB

Fig.4.7(b),f0=39.50GHz,BW=500MHzandRL=23dB

第68页/共122页Q波段4腔滤波器仿真结果Q波段4腔滤波器仿真结果第69页/共122页过模腔体E平面插片滤波器实物照片使用过模腔体的E平面插片滤波器实物照片第70页/共122页Q波段4腔滤波器测试结果第71页/共122页膜片耦合过模腔体滤波器第72页/共122页几种E面膜片耦合过模滤波器结构第73页/共122页Ku波段滤波器设计实例实物照片测试结果第74页/共122页使用多个过模腔体的波导滤波器第75页/共122页简并模过模谐振器产生传输零点的原理过模谐振器可以等效成下面的拓扑结构。第76页/共122页Designer仿真结果（1）耦合矩阵第77页/共122页Designer仿真结果（2）耦合矩阵第78页/共122页简并过模谐振腔的耦合第79页/共122页矩形波导简并模的基本理论根据矩形波导谐振腔的基本理论，先假定和工作在同一个频率，即：其中：a和d分别表示谐振腔的长度和宽度，可以得到：根据矩形波导谐振频率的计算公式，可以得到：如果和模，很容易得到：第80页/共122页简并模过模滤波器特性曲线TE102模和TE201模简并第81页/共122页简并模腔体的滤波特性曲线TE102和TE301简并第82页/共122页两级简并模过模滤波器两级简并模滤波器级联第83页/共122页两级简并模过模滤波器仿真和测试结果第84页/共122页腔体加介质块的过模滤波器通过在腔体中添加介质块降低简并模腔体的体积。第85页/共122页简并模腔体中的模式图第86页/共122页简并模滤波器的仿真和测试结果第87页/共122页消失模滤波器第88页/共122页消失模（凋落模）滤波器消失模滤波器是指那些由截止波导构造的滤波器。由于在正常状态下这些波导中的波导模式不能传播，所以，被称为消失模（或凋落模）。消失模波导滤波器具有体积小、无载Q值高、阻带对高次谐波抑制好的特点。因此，受到微波工程师的重视。消失模滤波器的研究始于上世纪70年代。关于消失模滤波器的设计方法有很多种，常见的设计方法都是以场分析方法为基础。消失模滤波器有切比雪夫型、椭圆函数型等。第89页/共122页消失模（凋落模）滤波器通常，消失模滤波器的工作频率范围100MHz-40GHz。带寛1%-80%第90页/共122页消失模滤波器的类型第91页/共122页消失模滤波器的类型第92页/共122页消失模滤波器的基本分析方法消失模滤波器设计方法与常规滤波器的设计方法类似。第93页/共122页消失模滤波器设计实例P.Soto，“EfficientAnalysisandDesignStrategiesforEvanescentModeRidgeWaveguideFilters”Proceedingsofthe36thEuropeanMicrowaveConference，第94页/共122页仿真和测试结果第95页/共122页带中心脊的消失模波导滤波器VicenteE.Boria，“WaveguideFiltersforSatellites”，IEEEMicrowaveMagazinOct.2007,61-70第96页/共122页带中心脊的消失模波导滤波器S曲线

第97页/共122页不对称结构消失模滤波器第98页/共122页复杂结构消失模滤波器吴须大，“消失模波导滤波器的新结构”，空间电子技术，2003年第4期，47-51第99页/共122页复杂结构消失