导波滤波器设计

1、 、波导滤波器概述、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、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。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：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。 jB 波导带通滤波器波导带通滤波器 对称膜片对称膜片 Symmetrical Diaphragm 纵向纵向/横向条带横向条带 Longitudi

2、nal/Transverse strips 方柱方柱/圆柱圆柱 Square/Circular Posts port 2 port 1 a/2 b width1 width2 width3 width2 width1 length1 length2 length2 length1 symmetry boundary Brian Gray, Ansoft, ”External Optimization Using Ansoft HFSS”, AB053-9905, May 1999. Michael Brenneman, Ansoft, ”AnsoftHFSS V7: OptimetricsTM

3、 Case Studies of Optimization and Parametrics”, 1999 HFSS User Workshop port 2 port 1 a/2 b width1 width2 width3 width2 width1 length1 length2 length2 length1 symmetry boundary 原型滤波器原型滤波器( (等效电路等效电路) ) waveguide filter (HFSS) S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957 说

4、明说明：具有倒置阻抗变换器的半波滤波器：具有倒置阻抗变换器的半波滤波器 低通原型低通原型 带通（或其他）带通（或其他） 11 gC 33 gC nn gC 11 nn gR或 00 gR 22 gL nn gL 11 nn gG 1 , 2 , 1, 2 12 sin2 1 1 0 n k g nk n k g g ButterworthButterworth低通滤波器原型低通滤波器原型 ChebyshevChebyshev低通滤波器原型低通滤波器原型 nk n k b nk n k a n L k k Ar , 2 , 1,sin , 2 , 1, 2 12 sin 2 sin 37.17

5、ln 22 偶数 奇数 n ng nk gb aa g a g n kk kk k 4 coth 1 , 3 , 2, 4 2 2 1 11 1 1 1 0 0 g R 1 L 1 C 2 L 2 C 3 L 3 C 4 L 4 C 1n L 1n C n L n C 1 1 n n g R 或 1 1 n n g G n L n C n 奇数n 偶数 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。 w g L C j j jj 1 0 0 1 w g C L k k kk 1 0 0 1 并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率并联谐振腔电

6、纳斜率，串联谐振腔电抗斜率 其中，其中， 210 0 12 w 频率变换后，带通滤波器原理电路频率变换后，带通滤波器原理电路 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。变换器和并联谐振回路类同。 K K 阻抗变换器阻抗变换器 K Z L Z L K 2 Z = IN 或者变换的路径如下：或者变换的路径如下： 11 gC 33 gC nn gC 11 nn gR或 00 gR 22 gL nn gL 11 nn gG 1r L 1r C 2r L 2r C rn L rn C K K01 01 K K12 12 K K23

7、 23 K Kn,n+1 n,n+1 A R B R 阶梯到阶梯到 单一元件低通单一元件低通 低通到带通低通到带通 说明说明：变换器：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） 其他形式的阻抗变换器等效电路其他形式的阻抗变换器等效电路 感性膜片结构感性膜片结构 容性膜片结构容性膜片结构 电纳电纳 0 圆波导膜片和等效电路圆波导膜片和等效电路 说明说明3：传输线等效：传输线等效 传输线段传输线段 元件：电容、电阻、谐振腔元件：电容、电阻、谐振腔 变换器：四分之一阻抗变换器变换器：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

8、传输线作为谐振器。 说明说明4：滤波器分析和综合：滤波器分析和综合 响应响应 电路电路 综合综合 分析分析 特定电路特定电路 阶梯阶梯LC J/K变换器变换器 非唯一非唯一 设计步骤设计步骤 port 2 port 1 a/2 b width1 width2 width3 width2 width1 length1 length2 length2 length1 symmetry boundary 耦合膜片设计耦合膜片设计 传输线段设计传输线段设计 设计步骤设计步骤 1、由滤波器指标得到原型电路：得到、由滤波器指标得到原型电路：得到K变换器的值；变换器的值； 2、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用

9、、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用HFSS优化膜片优化膜片 尺寸，得到要求的尺寸，得到要求的K变换器的值对应膜片的尺寸；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； 以上步骤也可以没有以上步骤也可以没有CAD的参与：由理论分析的参与：由理论分析 得到膜片的等效电路值得到膜片的等效电路值并联电感和两段负的传输并联电感和两段负的传输 线，半波长的谐振腔吸

10、收负的传输线线，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，对于某些形状的膜片解析分析是困难的 和近似的。和近似的。 说明说明1：传统设计与传统设计与CAD设计设计 说明说明2：结构、等效电路和模式、场结构、等效电路和模式、场 结构就是元件，就是电路结构就是元件，就是电路 深层次的原因在于场分布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，等效不同 前面等效电路已有论述前面等效电路已有论述 如果两个膜片非常近，是如果两个膜片非常近，是 否任然可以分解为单个膜否任然可以分解为单个膜 片加传输线段的电路片加传输线段的电路 K01Z0K12K23K3

11、4K23K12K01 WR62 g0g1g3gn-1gn+1 g2g4gn f0 BW IL RL *Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992 K01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0 g/2g/2 Example: f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz S11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz 6th order Ch

12、ebychev 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 （1a）由指标得到低通原型电路）由指标得到低通原型电路 1、滤波器原型电路设计、滤波器原型电路设计 100 01 01 2gg w Z K K A A 10 1, 1, 2 nn B B nn nn gg w Z K K 1 1, 00 1, 1, 1 2 ii i ii ii ii gg w ZZ K K 0 2 0 0 f f w g

13、i i Example: K01=0.0775 K12=0.0048 K23=0.0034 K34=0.0032 （1b）电路变换，得到）电路变换，得到K变换器的值变换器的值 2、耦合设计、耦合设计 KjKj S 2 21 Coupling S21 (dB) 1-16.14 2-40.40 3-43.47 4-43.93 5-43.47 6-40.40 7-16.14 diameteroffset d1 = 2.50 mmdo1 = 3.845mm d2 = 3.50 mmdo2 = 3.135 mm d3 = 3.50 mmdo3 = 2.960 mm d4 = 3.50 mmdo4 = 2

14、.972 mm d5 = 3.50 mmdo5 = 2.960 mm d6 = 3.50 mmdo6 = 3.135 mm d7 = 2.50 mmdo7 = 3.845 mm K01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0 g/2g/2 d do WR62波导：波导：15.799mm*7.899mm 与文献有差别！与文献有差别！ （PEC与有耗材料设置？计算精度？与有耗材料设置？计算精度？） 3、传输线段设计、传输线段设计 2 gr l 212 1 r lr Denne figuren er IKKE for frste resonator r 1 2 15.3115.3215.

15、3315.3415.3515.3615.3715.3815.3915.4 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 frequency (GHz) S (dB) resonator length l1 = 10.839 mm l2 = 11.346 mm l3 = 11.395 mm l4 = 11.395 mm l5 = 11.346 mm l6 = 10.839 mm 1 2 最后，可以建立滤波器模型，进行全部结构最后，可以建立滤波器模型，进行全部结构 的仿真，检验设计结果。在部分设计中，这一步的仿真，检验设计结果。在部分设计中，这一步 是必须的，总体结果需要通盘考虑和进一步的修是必须的，总体结果需要通盘考虑和进一步的修 正。正。 -4