《现代微波电路和器件设计》课件4、波导滤波器设计

1、现代微波电路和器件设计4、波导滤波器设计苏 涛2008年春波导滤波器设计波导滤波器概述波导滤波器形式设计思想和CAD方法设计实例、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。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。 不均性中高次模对于主模相当于jB波导带通滤波器、波导滤波器形式对称膜

2、片 Symmetrical Diaphragm纵向/横向条带 Longitudinal/Transverse strips方柱/圆柱 Square/Circular Posts、设计思想和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port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1s

3、ymmetryboundaryBrian 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port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2w

4、idth1length1length2length2length1symmetryboundary原型滤波器(等效电路)waveguide filter(HFSS)S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957等效电路说明：具有倒置阻抗变换器的半波滤波器低通原型 带通（或其他）Butterworth低通滤波器原型Chebyshev低通滤波器原型低通到带通变换后，带通原理电路，在微波中不易实现。并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率其中，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

5、联串联谐振。变换器和并联谐振回路类同。 K 阻抗变换器或者变换的路径如下：阶梯到单一元件低通低通到带通说明：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 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：滤波器分析和综合响应电路综合分析 特定电路阶梯LCJ/K变换器 非唯一设计步骤port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetr

6、yboundaryStep-by-step procedure- optimization of one dimension in each step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； 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

7、片解析分析是困难的和近似的。说明1：传统设计与CAD设计说明2：结构、等效电路和模式、场 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

8、。4、设计实例Design Requirementsf0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHzWR62f0 BW IL RL*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992Example:f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz6th or

9、der Chebychev filterprototype elementsg0 = 1.0000g1 = 0.8836g2 = 1.3966g3 = 1.7894g4 = 1.5528g5 = 1.6095g6 = 0.7667g7 = 1.1524（1a）由指标得到低通原型电路1、滤波器原型电路设计Example:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=0.0032（1b）电路变换，得到K变换器的值2、耦合设计Coupling S21 (dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diameteroff

10、setd1 = 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 mmWR62波导：15.799mm*7.899mm与文献有差别！（PEC与有耗材料设置？计算精度？）3、传输线段设计Denne figuren er IKKE for frste resonatorresonator lengthl1

11、= 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正。波导滤波器响应曲线带有圆角的电感膜片滤波器Design procedure:M. Guglielmi, Simple CAD procedure for microwave filters and multiplexers, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol 4