现代滤波器设计讲座(3波导滤波器设计)

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
Ka波段四腔交叉耦合滤波器设计

f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB
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
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
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 （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。
r g l 2
resonator length l1 = 10.839 mm 15.37 15.38 15.39 l2 = 11.346 15.4 mm l3 = 11.395 mm l4 = 11.395 mm l5 = 11.346 mm l6 = 10.839 mm
滤波器测试结果

-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）
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）
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；
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
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
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
1 2
-40 15.31
15.32
15.33
15.34
15.35 15.36 frequency (GHz)
Designed at 15.35 GHz Tunable from 14.9 to 15.35 GHz Measured at 15.32 GHz
10 0
0
-1
-10
-2
S21 (dB)
-20
-3
-30
-4
S (dB)
15.3 15.31 15.32 15.33 frequency (GHz) 15.34 15.35
K
Z=1/(mo1*bwf) P=lamped/4
0
R=Qu L=L1 C=C1
采用抑制谐振器的等效电路

Amari, “Synthesis and Design of Novel In-Line Filters With One or Two Real Transmission Zeros”， IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 52, NO. 5, MAY 2004, 1464-1478
R=Qu L=L1 C=C1
R=Qu L=L2 C=C2
K
1 S11
Z0A
wk.baidu.com
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
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
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
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
-40 -50 -60 -70 -80 -90 15.24 15.26 15.28 15.3 15.32 15.34 15.36 frequency (GHz) 15.38 15.4 15.42
-5
-6 15.29
仿真与测试结果比较

data centered on f0
0
-10
-20
S (dB)
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
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
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；
K i ,i 1 Z 0i Z 0,i 1

2
wi
2
1 g i g i 1
Example: K´01=0.0775 K´12=0.0048 K´23=0.0034 K´34=0.0032
,n 1 Kn
K n ,n 1 Z0 B

w B
2 g n g n 1
2
wi
gi 0 0
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.
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
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
f f 0
gi 0
0
1 0 c
c 0 f0
K变换器的S参数

在滤波器中心工作频率
Z0A K01 Z0
1 K 2 2K j 1 K 2 2 1 K K12 S Z0 K23 Z0 2 ; 2K 1 K j 1 K 2 1 K 2
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