波导滤波器设计

耦合膜片设计 传输线段设计
length2 width2 length1 width1
symmetry boundary
port 2
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； 、由滤波器指标得到原型电路：得到 变换器的值 变换器的值； 2、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用HFSS优化膜片 、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用 ）：使用 优化膜片 尺寸，得到要求的 变换器的值对应膜片的尺寸 变换器的值对应膜片的尺寸； 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 、传输线尺寸设计（谐振器设计）：得到各传输线段 ）： 的长度 优点： 优点： • 每一步仅仅有简单结构仿真，速度快； 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； 每一步仅仅有一个优化变量，收敛快速；
width1
symmetry boundary
port 2
• 设计优化变量太多 • 仿真计算时间过长，内存需求大 仿真计算时间过长， • 可能得到非最优结果
Brian Gray, Ansoft, ”External Optimization Using Ansoft HFSS”, AB053-9905, May 1999. Michael Brenneman, Ansoft, ”AnsoftHFSS V7: OptimetricsTM Case Studies of Optimization and Parametrics”, 1999 HFSS User Workshop
g2 g0 g1 g3
Example: f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz S11 < -20 dB S21 < -40 dB @ f0 ± 40 MHz
Z0A K01 Z0 λg/2 K12 Z0 λg/2 K23 Z0 Z0 K n,n+1 Z0B
f0
BW IL RL
g4 gn-1
• 复杂结构全波仿真和多变量优化费时费力； 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 设计思想：电路综合理论和HFSS仿真相结合
a/2 b width1 length1
port 1
width2 length2
width3 length2 width2 length1
感性膜片结构√ 感性膜片结构 容性膜片结构× 容性膜片结构×
电纳 Ｂ>0
圆波导膜片和等效电路
源自文库
说明3： 说明 ：传输线等效 传输线段 元件：电容、电阻、 元件：电容、电阻、谐振腔 变换器： 变换器：四分之一阻抗变换器
一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。 一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。
说明4： 说明 ：滤波器分析和综合
分析
响应 • 非唯一 综合
电路 • 特定电路 阶梯LC 阶梯 J/K变换器 变换器
设计步骤 Step-byStep-by-step procedure - optimization of one dimension in each step
a/2 b width1 length1 port 1 length2 width3 width2
′ Ln = g n
′ Cn = g n
′ Rn+1 = g n+1 或
′ Gn+1 = g n +1
阶梯ＬＣ到 阶梯ＬＣ到 ＬＣ 单一元件低通
低通到带通
Lr1 Cr1 Lr2 Cr2 Lrn Crn RA K01 K12 K23 Kn,n+1 RB
说明２：Ｋ／Ｊ变换器 说明２：Ｋ／Ｊ变换器
1/4波长阻抗变换器（阻抗倒置变换器） 波长阻抗变换器（阻抗倒置变换器） 波长阻抗变换器 • 其他形式的阻抗变换器等效电路
′ Ln = g n
′ Cn = g n
′ Rn+1 = g n+1 或
′ Gn+1 = g n +1
Butterworth低通滤波器原型 Butterworth低通滤波器原型
(2k −1)π gk = 2sin , , k =1 2,⋯n 2n gn+1 =1
g0 =1
Chebyshev低通滤波器原型 Chebyshev低通滤波器原型
说明2：结构、等效电路和模式、 说明 ：结构、等效电路和模式、场 • 结构就是元件，就是电路 结构就是元件， • 深层次的原因在于场分布 • 模式不同场不同，等效不同 模式不同场不同， • 前面等效电路已有论述 如果两个膜片非常近， 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
S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957
说明１ 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） 带通（或其他）
′ L2 = g 2
′ R0 = g0
′ C1 = g1
′ C3 = g 3
• 高次模对于主模TE10的作用相当于一个电抗。高次 高次模对于主模TE 的作用相当于一个电抗。 模时衰减的，而且衰减很快，所以是局部的。 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 相邻两个膜片较远时， 个膜片，各自的影响是独立的；两个膜片模型是相 个膜片，各自的影响是独立的； 同的，都是TE10激励，高次模电抗影响； 同的，都是TE 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 相邻两个膜片较近时， 的影响，两者是互相影响的；此时不能把相邻膜片 的影响，两者是互相影响的； 分成两个单独的膜片处理，要考虑高次模的耦合。 分成两个单独的膜片处理，要考虑高次模的耦合。
• 两者都可以等效为相应的集总参数元件和电路： 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； 波导不连续结构提供等效电抗； 传输线段等效谐振腔等。 传输线段等效谐振腔等。
• • • •
波导滤波器的模式问题：TE10 波导滤波器的模式问题： 波导滤波器的性能是两端口TE 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TE 的作用相当于一个电抗。 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。 次模时衰减的，而且衰减很快，所以是局部的。
gn 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
*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992
kπ bk = γ 2 +sin 2 , k =1 2,⋯ n , , n
频率变换后， 频率变换后，带通滤波器原理电路
L2 R0 = g0 C2 L4 C4 Ln−1 Cn−1 Rn+1 Ln Cn Gn+1 = gn+1 n 偶数 L 1 C 1 L3 C3 Ln Cn = gn+1 或
说明1：传统设计与 说明 ：传统设计与CAD设计 设计 以上步骤也可以没有CAD的参与：由理论分析 的参与： 以上步骤也可以没有 的参与 得到膜片的等效电路值——并联电感和两段负的传输 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 但是， 和近似的。 和近似的。
jB
不均性中高次模对于主模相当于jB
２、波导滤波器形式
波导带通滤波器
对称膜片 Symmetrical Diaphragm
纵向/横向条带 纵向 横向条带 Longitudinal/Transverse strips
方柱/圆柱 方柱 圆柱 Square/Circular Posts
３、设计思想和ＣＡＤ方法 设计思想和ＣＡＤ方法 ＣＡＤ
4、设计实例
WR62
Design Requirements •f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz •S11 < -20 dB •S21 < -40 dB @ f0 ± 40 MHz
Z0
K01
K12
K23
K34
K23
K12
K01
1、滤波器原型电路设计 、 （1a）由指标得到低通原型电路 ）
LAr 17.37 β γ = sin 2n (2k −1)π ak = sin , k =1 2,⋯ n , , 2n
β = ln
g1 = gk =
2a1
γ
4ak−1ak bk−1gk−1
, k = 2,3,⋯ n ,
gn+1 =1 n 奇 数 β coth2 n偶 ＝ 数 4
（1b）电路变换，得到 变换器的值 ）电路变换，得到K变换器的值
π wλA K ′ K01 = 01 = Z0A 2 g0g1
′ Kn,n+1 = Kn,n+1 Z0B =
Ki′,i+1 =
Ki,i+1 Z0i Z0,i+1
=
2
πwλi
2
1 gi gi+1 Example:
K´01=0.0775 K´12=0.0048 K´23=0.0034 K´34=0.0032
π wλB
2 gn gn+1
λgi0 ∆f w i = λ λ f 0 0
2、耦合设计 、 WR62波导：15.799mm*7.899mm 波导： 波导
Z0A K01 Z0
S21 = 2 jK′ − j K′
d
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
等效电路
waveguide filter (HFSS)
length2 length2 width2 length1 width1 width3
a/2 b length1 width2 width1 port 1
symmetry boundary
port 2
原型滤波器(等效电路) 原型滤波器(等效电路)
K 阻抗变换器
K
K ZIN = ZL
2
ZL
微波滤波器常用结构，阻抗变换器级联串联谐振。 微波滤波器常用结构，阻抗变换器级联串联谐振。 变换器和并联谐振回路类同。 Ｊ变换器和并联谐振回路类同。
或者变换的路径如下： 或者变换的路径如下：
′ L2 = g 2
′ R0 = g0
′ C1 = g1
′ C3 = g 3
现代微波电路和器件设计
4、波导滤波器设计
苏涛 2008年春 2008年春
波导滤波器设计
1. 波导滤波器概述 2. 波导滤波器形式 3. 设计思想和CAD方法 设计思想和CAD方法 4. 设计实例
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 波导滤波器的特点：低插耗、 • 一般的，波导滤波器由不连续处和传输线段组成。 一般的，波导滤波器由不连续处和传输线段组成。
n 奇数
并联谐振腔电纳斜率， 并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率 ′ ω1g j 1 ω1 gk 1 ℓ j = ω0Cj = = χk = ω0 Lk = = ω0 Lj w ω0Ck w 其中， 其中， ω2 −ω1 w=
ω0
ω0 = ω1ω2
低通到带通变换后，带通原理电路，在微波中不易实现。 低通到带通变换后，带通原理电路，在微波中不易实现。
• 设计思想 • 等效电路 • 设计步骤
• 波导带通滤波器具有多种形式；共同点 波导带通滤波器具有多种形式；
为什么采用这样的结构？为什么不用那样的 为什么采用这样的结构？为什么不用那样的 这样的结构 结构？ 结构？
• 波导滤波器的通用CAD设计； 波导滤波器的通用CAD设计 设计；
模式匹配；FDTD —— 模式匹配； HFSS；CST； HFSS；CST；IE3D