现代滤波器设计讲座(3波导滤波器设计)

Example: f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz S11 < -20 dB S21 < -40 dB @ f0 ± 40 MHz
Z0A
K01
Z0
K12
Z0
K23
Z0
Z0 Kn,n+1
Z0B
g/2 g/2 *Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992
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
产生非对称零点的四腔滤波器

f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB
非对称零点四腔滤波器仿真结果

f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz； RL = 20 dB
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。
Port1 K Z=1/(ms1*Sqrt(bwf)) P=lamped/4 K Z=1/(m1L*Sqrt(bwf)) P=lamped/4 Port2
带K变换器滤波器模型
1b) Calculate K-inverters (band-pass prototype parameters)
Z0A
K01
Z0 g/2
K12
Z0 g/2
K23
Z0
Z0 Kn,n+1
Z0B
K 01 K 01 Z0 A
w A
2 g 0 g1
K i,i 1
J. D. Rhodes and R. J. Cameron, “General extracted pole synthesis technique with application to low-loss TE -mode filters,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-28, pp. 1018–1028, Sept. 1980.
使用抑制谐振器产生传输零点

Hale Waihona Puke 在1980年R.J. Cameron提出了使用抑制谐振器 （Rejection Resonator）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。
利用交叉耦合产生传输零点
电子科技大学 贾宝富 博士
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。

ERDEM OFLI, “ANALYSIS AND DESIGN OF MICROWAVE AND MILLIMETER-WAVE FILTERS AND DIPLEXERS”, SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH, Doctoral Thesis ETH No. 15771
使用1个抑制谐振器的3阶滤波器
Port1 K Z=1/(1.532*Sqrt(bwf)) P=lamped/4
E
E=53.2deg F=F Z=1
K Z=1/(0.5735*Sqrt(bwf)) P=lamped/4
K Z=1/(1.0729*(bwf)) P=lamped/4
K
Port2
Z=1/(1.0833*Sqrt(bwf)) P=lamped/4
现代滤波器设计讲座（三）
腔体级联耦合波导滤波器
电子科技大学 贾宝富 博士
矩形波导滤波器常见类型
对称膜片 纵向条带 横向条带
方柱
圆柱
波导滤波器设计举例
设计参数： f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz S11 < -20 dB S21 < -40 dB @ f0 ± 40 MHz
滤波器从 14.9到 15.35 GHz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
Z0
do

Coupling S21 (dB) 1 -16.14 2 -40.40 3 -43.47 4 -43.93 5 -43.47 6 -40.40 7 -16.14
diameter d1 = 2.50 mm d2 = 3.50 mm d3 = 3.50 mm d4 = 3.50 mm d5 = 3.50 mm d6 = 3.50 mm d7 = 2.50 mm
现代滤波器设计讲座（三）
波导滤波器设计
电子科技大学 贾宝富 博士
波导滤波器概述



波导滤波器具有插入损耗低、功率容量大和容易批量 生产的特点； 波导滤波器的工作频率可以达到毫米波波段。主要用 于卫星通讯、电子对抗和雷达系统。 波导滤波器有以下几种类型：

直接耦合波导滤波器； 交叉耦合波导滤波器； 带抑制谐振器的波导滤波器； 使用非谐振结点的波导滤波器； 使用过模谐振器的波导滤波器； 凋落模波导滤波器；
R=Qu L=L1 C=C1
R=Qu L=L2 C=C2


计算附加相移；
1 1 S11 1 K 1 1 S11 S21 S21
2
i 90 arg S21
优化耦合系数

For all couplings: Optimize coupling to give the right K-inverter value at the center frequency
Z0 K
A
g/2 0 jK j K 0
g/2 1 K 2 S11 S 22 ; 2 1 K 2K S 21 S12 j 1 K 2
K变换器计算模型
Z0A K01 Z0 K12 Z0 K23 Z0
Z0 Kn
g/2 g/2 利用对称面可以简化模型； 计算K值；
滤波器原型
f0
1a) Obtain low-pass prototype parameters (gi) from filter specifications (see e.g. Matthaei*)
g2 g0 g1 g3 g4 gn-1 gn
BW IL RL
gn+1
6th order Chebychev filter prototype elements g0 = 1.0000 g1 = 0.8836 g2 = 1.3966 g3 = 1.7894 g4 = 1.5528 g5 = 1.6095 g6 = 0.7667 g7 = 1.1524
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。
包含源与负载直接耦合的2腔滤波器
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。
现代滤波器设计讲座（三）
使用抑制谐振器产生传输零点
电子科技大学 贾宝富 博士
优化谐振腔长度

For all resonators: calculate resonator length, fine tune until the structure resonates at the center frequency
-10
Z0A
K01
Z0
lr
K12
Z0 g/2
S (dB)
-15
K
1 S11
Z0A
K01
d
Z0 g/2
K12
1 1 K S S21 21
Z0
1 S11
K23
Z0 2
g/2
1
offset do1 = 3.845mm do2 = 3.135 mm do3 = 2.960 mm do4 = 2.972 mm do5 = 2.960 mm do6 = 3.135 mm do7 = 3.845 mm
E平面金属插片交叉耦合滤波器

f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB
四腔交叉耦合滤波器


return loss is 20 dB center frequency 11.55 GHz bandwidth of 200MHz
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
-30
-40 S11 Measured S21 Measured S11 HFSS S21 HFSS S11 Goal S21 Goal -40 -30 -20 -10 0 f -f0 (MHz) 10 20 30
-50
-60
利用周期结构提高带外抑制
利用EBG结构缩短波导滤波器长度
现代滤波器设计讲座（三）
K23
Z0
Z0 Kn,n+1
Z0B
-20
Denne figuren er IKKE for første resonator
-25
g/2
-30
-35
1 r 2
r 1 2