现代滤波器设计讲座(2-2滤波器设计实例)

现代滤波器设计讲座(2_2滤波器设计实例)第一页，共72页。滤波器技术参数滤波器要求的技术参数；中心频率；400MHz；带宽：12MHz；插入损耗：小于1dB带内波动：小于0.5dB群时延：小于150纳秒带外抑制度：偏离中心频率15MHz；大于40dB；功率容量：平均功率大于200W工作温度：-45～80摄氏度第二页，共72页。1、利用仿真软件作出初始设计第三页，共72页。确定设计参数用户提出的带寛、带内插损和带外隔离等技术指标与设计指标不同。受温度漂移、击穿功率和群时延等技术指标的限制，滤波器设计的工作带寛要比用户要求的带寛宽一些。通常，设计带寛比用户要求大20%左右。设计时，滤波器插损、隔离、击穿功率和群时延等要比用户要求高一些。第四页，共72页。6阶切比雪夫滤波器耦合矩阵输入中心频率；带寛等参数第五页，共72页。6阶切比雪夫滤波器计算结果6阶切比雪夫滤波器的储能、群时延和S参数第六页，共72页。6阶交叉耦合滤波器耦合矩阵输入中心频率；带寛等参数第七页，共72页。6阶交叉耦合滤波器计算结果6阶交叉耦合滤波器的储能、群时延和S参数第八页，共72页。7阶切比雪夫滤波器耦合矩阵输入中心频率；带寛等参数第九页，共72页。7阶切比雪夫滤波器计算结果7阶切比雪夫滤波器的储能、群时延和S参数第十页，共72页。8阶切比雪夫滤波器耦合矩阵输入中心频率；带寛等参数第十一页，共72页。8阶切比雪夫滤波器计算结果8阶切比雪夫滤波器的储能、群时延和S参数第十二页，共72页。几种滤波器拓扑结构的比较6阶切比雪夫8阶切比雪夫6阶交叉耦合7阶切比雪夫第十三页，共72页。小结根据给定的技术指标，考虑到温度对滤波器特性的影响。我们初步把滤波器的阶数确定为6阶交叉耦合或7阶切比雪夫。与交叉耦合滤波器相比，切比雪夫滤波器结构简单，工程上容易实现。如果滤波器体积和造价允许，我们将首选7阶切比雪夫。因此，综合考虑温度对滤波器特性的影响和拓扑机构三维实现的方便程度后，我们确定滤波器的拓扑结构为7阶切比雪夫滤波器。第十四页，共72页。7阶切比雪夫滤波器的技术数据所有谐振腔的谐振频率都是400MHz腔体间的耦合系数和输入/输出腔的有载品质因数如下表所示。第十五页，共72页。7阶切比雪夫滤波器等效电路参数第十六页，共72页。2、确定滤波器使用的腔体第十七页，共72页。确定合适的腔体结构第十八页，共72页。谐振腔设计初始考虑由于，该滤波器工作频率较低，同时要求的功率容量又比较大，所以考虑使用梳状结构腔体。梳状结构腔体的谐振频率主要由谐振杆的长度和加载电容的大小决定。如果，加载电容不大，谐振杆的初始长度定为略小于1/2波长。加载较重，长度可定为1/4波长或更短。梳状结构腔体的大小和杆的粗细主要影响腔体Q值。可根据谐振杆的尺寸适当选择腔体尺寸和谐振杆其它尺寸的初值。第十九页，共72页。通过仿真模型应得到的信息通过单腔仿真应该获得如下信息：工作模式的谐振频率；通过计算与工作模式相邻模式的频率，确定寄生通带的大概位置；通过计算腔体Q值，确定滤波器的插损；通过计算腔体内的场分布，确定滤波器电场最大点的位置和场强；仿真模型要模拟滤波器工作状态腔体的损耗和高次模。所以，腔体不能简化。第二十页，共72页。建立中间腔体计算模型A=30mmB=60mmC=120mmR1=5mmR2=6mmR3=8mmL=114.5mmH=15mm模型中金属材料设为银。模型中除两侧外，边界设为有耗材料（金属v银）。第二十一页，共72页。计算结果1、确定腔体Q0值；2、确定中间腔体的几何尺寸高次谐波频率大于14GHz第二十二页，共72页。3、设计腔体间耦合结构第二十三页，共72页。腔体间的耦合结构腔体间耦合结构的类型有两种类型。电耦合；磁耦合；第二十四页，共72页。

在对称面上分别设置为完全导电面(PEW)和完全导磁面(PMW)，在HFSS中用本征模求解器，得到的本征频率分别对应和，耦合系数的模可以用下面的公式计算。耦合系数--电壁/磁壁法

对于对称耦合谐振器的情况，两个谐振器频率完全相同，这样可以将耦合谐振器从对称面劈开，如右图所示。、K为正表示磁耦合；K为负表示电耦合。第二十五页，共72页。

而如果两个谐振器是非对称的，同样也可以采用相同的方法，将两谐振器从中间劈开，这时每一个谐振器在对称面上分别设置完全导电面(PEW)和完全导磁面(PMW)，这时将得到四个本征频率，和这样，非对称耦合结构的耦合系数为耦合系数--电壁/磁壁法、K为正表示磁耦合；K为负表示电耦合。第二十六页，共72页。感性膜片耦合PerfectEPerfectH第二十七页，共72页。容性膜片耦合PerfectEPerfectH第二十八页，共72页。耦合系数—双模提取法

前面的分析是分别提取两个频率和，而对于耦合谐振器对，不管是对称结构的还是非对称结构的，也可以利用双模法提取两个模式之间的耦合系数。假设，谐振器1和谐振器2单独存在时的频率为

和。在两个谐振器产生耦合时，谐振器1和谐振器2的频率分别变为

和。则两个腔体的耦合系数计算公式为：K为正表示磁耦合；K为负表示电耦合。第二十九页，共72页。耦合系数—双模提取法

如果，谐振器耦合前的谐振频率相同，即：

谐振器耦合系数的计算公式简化为：

在耦合谐振器对同时存在的情况下，利用HFSS的本征模解算器，设置两个本征频率，这样一次性提取出两个频率。K为正表示磁耦合；K为负表示电耦合。第三十页，共72页。耦合系数极性的判定（1）计算公式：其中，

是对称面为电壁时的谐振频率；是对称面为磁壁时的谐振频率；对称面为电壁对称面为磁壁对称面第三十一页，共72页。感性膜片耦合通过对称面上的磁场判断电壁/磁壁Mode1对称面磁场只有法向分量---磁壁对称面磁场只有切向分量---电壁Mode2第三十二页，共72页。容性膜片耦合通过对称面上的磁场判断电壁/磁壁Mode1对称面磁场只有法向分量---磁壁对称面磁场只有切向分量---电壁Mode2第三十三页，共72页。电场奇对称电场偶对称耦合系数极性的判定（2）计算公式：其中，

电场沿对称面奇对称时的谐振频率；电场沿对称面偶对称时的谐振频率；对称面对称面第三十四页，共72页。感性膜片耦合通过对称面上的磁场判断电壁/磁壁Mode1电场偶对称电场奇对称Mode2第三十五页，共72页。容性膜片耦合通过对称面上的磁场判断电壁/磁壁Mode1Mode2电场偶对称电场奇对称第三十六页，共72页。梳状腔的耦合结构有五种基本类型：空间耦合；膜片耦合；探针耦合；耦合环耦合；直接耦合梳状滤波器腔体间耦合的基本结构第三十七页，共72页。空间耦合空间耦合的特点：磁耦合；功率容量大；不产生额外的高次谐波；耦合量可调谐性差；耦合结构占空间大；耦合量较小；第三十八页，共72页。耦合系数变化曲线第三十九页，共72页。中心频率变化曲线第四十页，共72页。膜片耦合膜片耦合的特点：磁耦合；功率容量较大；耦合结构占空间较小；耦合结构将产生额外的高次谐波；耦合量可调谐性较好；耦合量较小；第四十一页，共72页。耦合系数变化曲线第四十二页，共72页。中心频率变化曲线第四十三页，共72页。探针耦合探针耦合的特点：电耦合；功率容量较大；耦合结构占空间较小；耦合结构将产生额外的高次谐波；耦合量可调谐性好；耦合量大；第四十四页，共72页。耦合系数变化曲线第四十五页，共72页。中心频率变化曲线第四十六页，共72页。耦合环耦合耦合环耦合的特点：磁耦合；功率容量较大；耦合结构将产生额外的高次谐波；耦合量可调谐性差；耦合结构占空间较小；耦合量较大；第四十七页，共72页。耦合系数变化曲线第四十八页，共72页。中心频率变化曲线第四十九页，共72页。直接耦合直接耦合的特点：磁耦合；功率容量大；耦合结构占空间小；耦合结构将产生额外的高次谐波；耦合量可调谐性较差；耦合量大；第五十页，共72页。耦合系数变化曲线第五十一页，共72页。中心频率变化曲线第五十二页，共72页。耦合结构小结如果两个谐振器产生耦合，谐振器的中心频率也会发生变化。当谐振器之间是电耦合时，谐振器的中心频率随耦合量增加而下降。当谐振器之间是磁耦合时，谐振器的中心频率随耦合量增加而增加。探针和耦合环耦合的耦合量通常较小，多用于交叉耦合。直接耦合的耦合量比较大多用于输入输出结构。第五十三页，共72页。选择耦合结构通常，腔体间主耦合通道选择空间耦合或膜片耦合。探针耦合和耦合环耦合常用于交叉耦合。直接耦合较少采用。如果不考虑耦合结构所占的空间大小，我们可以选择空间耦合作为腔体间的耦合结构。第五十四页，共72页。计算耦合系数的模型建立耦合结构模型全部材料选择理想材料（金属=PEC；介质无耗）；如果，不关心寄生通带的影响，计算模型可以利用对称性。A=30mmB=120mmC=120mmR1=5mmR2=6mmR3=8mmL=114.5mmH=15mmS=27PerfectH第五十五页，共72页。耦合系数计算结果由滤波器的值，确定：第五十六页，共72页。4、设计输入输出结构第五十七页，共72页。腔体与外电路耦合腔体与外电路耦合的结构类型主要有：直接耦合；容性耦合；磁性耦合；变换器耦合。第五十八页，共72页。直接耦合输入/输出结构直接耦合的特点：磁耦合；结构简单；耦合量与直接耦合点和接地点之间的高度成正比。第五十九页，共72页。容性耦合输入/输出结构容性耦合的特点：电耦合；耦合量与天线和杆之间的距离以及耦合点的位置有关。第六十页，共72页。感性耦合输入/输出结构感性耦合的特点：磁耦合；耦合量与耦合环切割磁力线的量有关。第六十一页，共72页。变换器耦合输入/输出结构（1）变换器耦合的特点：电耦合；变换器处于过耦合状态。它的谐振频率不影响滤波器特性。第六十二页，共72页。变换器耦合输入/输出结构（2）变换器耦合的特点：电耦合；变换器处于过耦合状态。它的谐振频率不影响滤波器特性。第六十三页，共72页。输入输出结构小结输入输出结构的引入会改变腔体谐振频率的改变。当输入输出结构为电耦合时，耦合量增加谐振频率下降。当输入输出结构为磁耦合时，耦合量增加谐振频率上升。变换器耦合实际上存在两次耦合过程，首先，外电路耦合到变换器杆，然后通过变换器杆和谐振杆之间的耦合，最后实现了外电路与谐振杆之间的耦合。而且，不管第一级耦合使用电耦合还是磁耦合。其最后结果均为电耦合。第六十四页，共72页。通过计算模式的有载Q值计算耦合系数。其中，是某一模式的有载Q值。在HFSS中，有载Q值可以用PML层计算。在CST中，有载Q值可以通过群时延计算其中，是群时延最大值所对应的频率是最大群时延值输入、输出耦合系数的计算方法第六十五页，共72页。有载Q值计算模型同轴线内导体半径1.5mm；同轴线外导体内径3.5mm；耦合天线圆盘外径13mm;厚度4mm；耦合天线于园柱表面的距离1.94mm；耦合天线距底面高度15mm。第六十六页，共72页。QL计算结果1、由腔体QL值确定天线距离；2、确定边缘腔体的几何尺寸第六十七页，共72页。InitialFilterDesigninHFSSFilterTheory:Resonantfrequencyoftheoutermostresonators fR1=400MHzResonantfrequencyoftheinnerresonators fR2=400MHzLoadedQ QL=31.498CouplingcoefficientsK12=0.02893,K23=0.02171,K34=0.02065HFSSCalibration:Lengthofthetwooutermostresonators =113.399mmLengthofthefiveinnerresonators =114.69mmA