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 Longitudinal/Transve

2、rse strips方柱方柱/圆柱圆柱 Square/Circular Postsport 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundaryBrian Gray, Ansoft, ”External Optimization Using Ansoft HFSS”, AB053-9905, May 1999.Michael Brenneman, Ansoft, ”AnsoftHFSS V7: OptimetricsTM Case Studies of Optimization

3、 and Parametrics”, 1999 HFSS User Workshopport 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary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

4、他）带通（或其他）1, 2 , 1,212sin2110nkgnknkggButterworthButterworth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nknkbnknkanLkkAr, 2 , 1,sin, 2 , 1,212sin2sin37.17ln22偶数奇数nngnkgbaagagnkkkkk4coth1, 3 , 2,42211111100gR1L1C2L2C3L3C4L4C1nL1nCnLnC11nngR或11nngGnLnCn 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，

5、在微波中不易实现。wgLCjjjj1001wgCLkkkk1001并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率其中，其中，210012w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：11gC 33gCnngC11nngR或00gR 22gL nngL 11nngG1rL1rC2rL2rCrnLrnCK

6、 K0101K K1212K K2323K Kn,n+1n,n+1ARBR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传输

7、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LCJ/K变换器变换器 非唯一非唯一设计步骤设计步骤port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary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、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用HFSS优化膜片优化膜片尺寸

8、，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

9、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K01Z0K12K23K34K23K12K01WR62212gag0g1g3gn-1gn+1g2g4gnf0 B

10、W IL RL*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992K01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2Example:f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz6th order Chebychev filterprototype elementsg0 = 1.0000g1 = 0

11、.8836g2 = 1.3966g3 = 1.7894g4 = 1.5528g5 = 1.6095g6 = 0.7667g7 = 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10001012ggwZKKAA101,1,2nnBBnnnnggwZKK11, 001,1,12iiiiiiiiiggwZZKK0200ffwgiiExample:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=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KjKjS221Coupling

12、S21 (dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diameteroffsetd1 = 2.50 mmdo1 = 3.845mmd2 = 3.50 mmdo2 = 3.135 mmd3 = 3.50 mmdo3 = 2.960 mmd4 = 3.50 mmdo4 = 2.972 mmd5 = 3.50 mmdo5 = 2.960 mmd6 = 3.50 mmdo6 = 3.135 mmd7 = 2.50 mmdo7 = 3.845 mmK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2ddoWR62波导：波导：

13、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2grl2121rlrDenne figuren er IKKE for frste resonatorr1215.3115.3215.3315.3415.3515.3615.3715.3815.3915.4-40-35-30-25-20-15-10frequency (GHz)S (dB)resonator lengthl1 = 10.839 mml2 = 11.346 mml3 = 11.395 mml4 = 11.395 mml5 = 11.346 mml6 = 10.839 mm12 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。-40-30-20-