【管理资料】现代微波电路与器件设计4波导滤波器设计西安电子科技大学苏涛老师汇编

sin 2n
ak
sin
2 k 1
2 n
,
k 1,2, , n
bk
2
sin
2
k n
,
k 1,2, , n
g1
2a1
gk
4 a k 1a k b k 1 g k 1
,
k 2,3, , n
g n 1 1 n 奇数
＝ coth 2 n 偶数 4
频率变换后，带通滤波器原理电路
K 阻抗变换器
K
ZL
Z = K2
IN
ZL
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。
或者变换的路径如下：
L2 g2
R0 g0
C1 g1
C3 g3
Cn gn
Rn1 gn1
或
Ln gn Gn1 g n1
阶梯ＬＣ到 单一元件低通
RA
K01
Lr1 Cr1
Lr 2 Cr 2
３、设计思想和ＣＡＤ方法
• 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
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
K12
K23
Lrn Crn
Kn,n+1
RB
低通到带通
说明２：Ｋ／Ｊ变换器
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×
电纳 Ｂ>0
圆波导膜片和等效电路
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
等效电路
waveguide filter (HFSS)
length2
length1 width2
a/2
b width1
port 1
length2
width3
length1 width1
width2
symmetry boundary
port 2
原型滤波器(等效电路)
S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957
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）
L
2
g2
R
0
g0
C1 g1
C3 g3
Cn gn
R
n
1
g n1
或
L
n
gn
G
n
1
g n 1
Butterworth低通滤波器原型
g0 1
gk 2sin2k2n1 , k 1,2,n
gn1 1
Chebyshev低通滤波器原型
ln L Ar 17 .37
一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。
说明4：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 J/K变换器
设计步骤
Step-by-step procedure
- optimization of one dimension in each step
port 2
lengt h1 wid
L2 C2
L4 C4
Ln1 Cn1
R0 g0
L1ห้องสมุดไป่ตู้
C1
L3
C3
Ln
Rn1 Cn gn1 或
Ln Cn
Gn1 g n1
n 奇数
n 偶数
并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率
j
0Cj 01Lj
1gj
w
k
0Lk
1
0Ck
1gk
w
其中，
w 2 1
0
0 1 2
低通到带通变换后，带通原理电路，在微波中不易实现。
• 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
• 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。
现代微波电路与器件设计4波导 滤波器设计西安电子科技大学苏
涛老师
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。
th1
lengt h2 wid
th2
lengt
wid
lengt
h1 wid
th1
h2 wid
th2
th3
symmetry boundary
a /b port2 1
耦合膜片设计 传输线段设计
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
length2
length1 width2
a/2
b width1
port 1
length2
width3
length1 width1
width2
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 • 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
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；
说明1：传统设计与CAD设计
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2：结构、等效电路和模式、场
• 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。
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 Longitudinal/Transverse strips 方柱/圆柱 Square/Circular Posts