现代滤波器设计讲座(3波导滤波器设计)

现代滤波器设计讲座(3波导滤波器设计)第一页，共123页。波导滤波器概述波导滤波器具有插入损耗低、功率容量大和容易批量生产的特点；波导滤波器的工作频率可以达到毫米波波段。主要用于卫星通讯、电子对抗和雷达系统。波导滤波器有以下几种类型：直接耦合波导滤波器；交叉耦合波导滤波器；带抑制谐振器的波导滤波器；使用非谐振结点的波导滤波器；使用过模谐振器的波导滤波器；凋落模波导滤波器；第二页，共123页。腔体级联耦合波导滤波器第三页，共123页。对称膜片纵向条带方柱横向条带圆柱矩形波导滤波器常见类型第四页，共123页。波导滤波器设计举例设计参数：f0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHz滤波器从14.9到15.35GHz连续可调BJ-140波导技术参数：a=15.8mm;b=7.9mm;工作频率范围：11.9~18GHz第五页，共123页。滤波器原型1a) Obtainlow-passprototypeparameters(gi)fromfilterspecifications(seee.g.Matthaei*)f0

BWILRL*Matthaei,YoungandJones“Microwavefilters,impedance-matchingnetworks,andcouplingstructures”,ArtechHouse,Norwood,MA,1992Example:f0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHz

6thorderChebychevfilterprototypeelementsg0=1.0000g1=0.8836g2=1.3966g3=1.7894g4=1.5528g5=1.6095g6=0.7667g7=1.1524第六页，共123页。带K变换器滤波器模型1b)

CalculateK-inverters(band-passprototypeparameters)Example:K´01=0.0775K´12=0.0048K´23=0.0034K´34=0.0032第七页，共123页。K变换器的S参数在滤波器中心工作频率第八页，共123页。K变换器计算模型利用对称面可以简化模型；计算K值；计算附加相移；第九页，共123页。优化耦合系数Forallcouplings:OptimizecouplingtogivetherightK-invertervalueatthecenterfrequencyCoupling S21(dB)1 -16.142 -40.403 -43.474 -43.935 -43.476 -40.407 -16.14diameter offset d1=2.50mm do1=3.845mm d2=3.50mm do2=3.135mm d3=3.50mm do3=2.960mm d4=3.50mm do4=2.972mm d5=3.50mm do5=2.960mm d6=3.50mm do6=3.135mm d7=2.50mm do7=3.845mm 第十页，共123页。优化谐振腔长度Forallresonators:calculateresonatorlength,finetuneuntilthestructureresonatesatthecenterfrequencyDennefigurenerIKKEforførsteresonatorresonatorlength l1=10.839mm l2=11.346mm l3=11.395mm l4=11.395mm l5=11.346mm l6=10.839mm

第十一页，共123页。滤波器测试结果Designedat15.35GHzTunablefrom14.9to15.35GHzMeasuredat15.32GHz第十二页，共123页。datacenteredonf0仿真与测试结果比较第十三页，共123页。利用周期结构提高带外抑制第十四页，共123页。利用EBG结构缩短波导滤波器长度第十五页，共123页。利用交叉耦合产生传输零点第十六页，共123页。波导交叉耦合滤波器的特点受到几何结构的限制波导交叉耦合滤波器多数采用对称结构。ERDEMOFLI,“ANALYSISANDDESIGNOFMICROWAVEAND

MILLIMETER-WAVEFILTERSANDDIPLEXERS”,SWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGYZURICH,DoctoralThesisETHNo.15771第十七页，共123页。E平面金属插片交叉耦合滤波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第十八页，共123页。四腔交叉耦合滤波器returnlossis20dBcenterfrequency11.55GHzbandwidthof200MHz第十九页，共123页。仿真计算结果其中，虚线是无交叉耦合的仿真结果。实线是有交叉耦合的结果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模第二十页，共123页。Ka波段四腔交叉耦合滤波器设计f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第二十一页，共123页。仿真计算结果其中，虚线是无交叉耦合的仿真结果。实线是有交叉耦合的结果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模第二十二页，共123页。实际制作的Ka波段交叉耦合滤波器为了测试实际制作的滤波器增加了弯波导段第二十三页，共123页。Ka波段交叉耦合滤波器测试结果图中，MMT是模式匹配法；Meas是测试结果第二十四页，共123页。产生非对称零点的四腔滤波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第二十五页，共123页。非对称零点四腔滤波器仿真结果f0=30.25GHz,BW=500MHz；RL=20dB第二十六页，共123页。源与负载直接耦合使用源与负载直接耦合可以提高滤波器性能，但源与负载之间的耦合孔要求更高的加工精度。第二十七页，共123页。包含源与负载直接耦合的2腔滤波器第二十八页，共123页。仿真结果其中，虚线是无源与负载耦合的仿真结果。实线是有源与负载耦合的结果。第二十九页，共123页。使用抑制谐振器产生传输零点第三十页，共123页。使用抑制谐振器产生传输零点在1980年R.J.Cameron提出了使用抑制谐振器（RejectionResonator）产生滤波器传输零点的方法。这项技术除了应用于波导滤波器以外，还被用于梳状结构滤波器和介质滤波器等结构滤波器的设计。这项技术也被称作零腔技术。由于使用这种方法产生的零点，只与抑制谐振器和相关的耦合结构有关。因此传输零点的设计比较灵活。J.D.RhodesandR.J.Cameron,“Generalextractedpolesynthesistechniquewithapplicationtolow-lossTE-modefilters,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.MTT-28,pp.1018–1028,Sept.1980.第三十一页，共123页。抑制谐振器产生传输零点的原理在传输回路中连接分支电路，分支电路的一端连接一个（或数个）专门产生传输极点的谐振器。这些谐振器被称作抑制谐振器。第三十二页，共123页。采用抑制谐振器的等效电路Amari,“SynthesisandDesignofNovelIn-LineFilters

WithOneorTwoRealTransmissionZeros”，IEEETRANS.ONMTT,VOL.52,NO.5,MAY2004,1464-1478第三十三页，共123页。使用1个抑制谐振器的3阶滤波器第三十四页，共123页。使用2个抑制谐振器的3阶滤波器第三十五页，共123页。使用抑制谐振器的滤波器结构第三十六页，共123页。三阶滤波器零点高于中心频率第三十七页，共123页。三阶滤波器零点低于中心频率第三十八页，共123页。T.Sieverding

设计的滤波器T.SieverdingandF.Arndt,“FieldtheoreticCADofopenoraperturematchedTjunctioncoupledrectangularwaveguidestructures,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.40,no.2,pp.353–362,1992.第三十九页，共123页。二阶滤波器具有2个零点R.Montejo-Garai,“SynthesisandDesignofIn-LineN-OrderFiltersWith

NRealTransmissionZerosbyMeansofExtracted

PolesImplementedinLow-CostRectangular

H-PlaneWaveguide”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.5,MAY20051636-1642第四十页，共123页。三阶滤波器具有1个零点第四十一页，共123页。四阶滤波器具有2个零点第四十二页，共123页。八阶滤波器具有2个零点第四十三页，共123页。使用抑制谐振器设计双工器的实例技术要求：第四十四页，共123页。滤波器拓扑结构低通带和高通带使用同一结构。第四十五页，共123页。上通带滤波器综合曲线第四十六页，共123页。双工器整体结构第四十七页，共123页。双工器仿真结果和测试结果仿真曲线测试曲线第四十八页，共123页。利用非谐振节点产生传输零点第四十九页，共123页。利用非谐振节点产生传输零点SmainAmari在2004年把非谐振节（Non-ResonatorNode）点引入滤波器设计。并在其后发表了多篇论文介绍引入非谐振节点后传输矩阵的推导方法。使用非谐振节点产生传输零点具有结构简单，在波导结构上容易实现的特点。引入非谐振节点后N个谐振器可以实现N个传输零点。而不必引入源与负载耦合。使用非谐振节点可以很容易地把多个滤波网络组合在一起。不会影响各个网络的滤波特性。

SmainAmari,UweRosenberg,,andJensBornemann,“Singlets,CascadedSinglets,andtheNonresonatingNodeModelforAdvancedModularDesignofEllipticFilters”，IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.14,NO.5,MAY2004，237-239第五十页，共123页。非谐振节点产生传输零点的原理单谐振腔产生传输零点的基本电路第五十一页，共123页。非谐振节点产生传输零点的原理用非谐振节点把单谐振腔连接起来，可以保持原来的传输零点和滤波特性。第五十二页，共123页。使用非谐振节点滤波器低通模型Amari,“In-linePseudoellipticBand-RejectFiltersWith

NonresonatingNodesand/orPhaseShifts”,IEEETRANSONMTT,VOL.54,NO.1,JANUARY2006,428-436第五十三页，共123页。使用非谐振节点的3阶滤波器结构第五十四页，共123页。使用非谐振节点的3阶滤波器测试结果第五十五页，共123页。用非谐振节点产生传输零点例子S.Cogollos,“SynthesisandDesignProcedureforHighPerformanceWaveguide

FiltersBasedonNonresonatingNodes”，MicrowaveSymposium,2007.IEEE/MTT-SInternational

3-8,June2007Page(s):1297-1300第五十六页，共123页。6阶单腔3模滤波器第五十七页，共123页。6阶单腔3模滤波器测试结果Amari,“NewIn-LineDual-andTriple-ModeCavity

FiltersWithNonresonatingNodes”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.4,APRIL2005,1272-1279第五十八页，共123页。利用过模谐振器产生传输零点第五十九页，共123页。概述利用过模谐振器产生传输零点的技术最早在2001年由MarcoGuglielmi提出。产生传输零点的过模腔体有多种结构。既有使用非简并模式的过模波导滤波器，也有使用简并模式的过模波导滤波器。利用过模谐振器产生传输零点具有结构简单，容易加工的特点。在毫米波波段，具有很好的发展前景。

M.Guglielmi,P.Jarry,E.Kerherve,O.Roquebrun,andD.Schmitt,“Anewfamilyofall-inductivedual-modefilters,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.49,no.10,pp.1764–1769,Oct.2001.第六十页，共123页。非简并模式过模滤波器模型Bornemann,J.;Amari,S.;Vahldieck,R.;“AflexibleS-matrixalgorithmforthedesignoffoldedwaveguidefilters”，MicrowaveConference,2005European

Volume1,

4-6Oct.2005Page(s):4pp.

第六十一页，共123页。非简并模过模滤波器单元等效电路非简并模过模滤波器单元电路可以等效成下面的拓扑结构。在2次模对应的频率，产生传输零点的条件是与符号相反。第六十二页，共123页。耦合量与耦合孔位置的关系

基模第六十三页，共123页。耦合量与耦合孔位置的关系

2次模第六十四页，共123页。耦合量与耦合孔位置的关系

3次模第六十五页，共123页。非简并模过模滤波器单元等效电路当开口位置靠近1/3处时，对3次模的耦合很小，可以忽略。传输零点位于高端。第六十六页，共123页。非简并模过模滤波器单元等效电路当开口位置靠近边缘处时，对基模的耦合较小小，可以忽略。传输零点位于低端。第六十七页，共123页。非简并模过模谐振器产生传输零点在E面插片波导中，利用过模谐振器也可以产生传输零点。第六十八页，共123页。Q波段4腔滤波器Fig.4.7(a),f0=38.80GHz,BW=500MHzandRL=23dB

Fig.4.7(b),f0=39.50GHz,BW=500MHzandRL=23dB

第六十九页，共123页。Q波段4腔滤波器仿真结果Q波段4腔滤波器仿真结果第七十页，共123页。过模腔体E平面插片滤波器实物照片使用过模腔体的E平面插片滤波器实物照片第七十一页，共123页。Q波段4腔滤波器测试结果第七十二页，共123页。膜片耦合过模腔体滤波器第七十三页，共123页。几种E面膜片耦合过模滤波器结构第七十四页，共123页。Ku波段滤波器设计实例实物照片测试结果第七十五页，共123页。使用多个过模腔体的波导滤波器第七十六页，共123页。简并模过模谐振器产生传输零点的原理过模谐振器可以等效成下面的拓扑结构。第七十七页，共123页。Designer仿真结果（1）耦合矩阵第七十八页，共123页。Designer仿真结果（2）耦合矩阵第七十九页，共123页。简并过模谐振腔的耦合第八十页，共123页。矩形波导简并模的基本理论根据矩形波导谐振腔的基本理论，先假定和工作在同一个频率，即：其中：a和d分别表示谐振腔的长度和宽度，可以得到：根据矩形波导谐振频率的计算公式，可以得到：如果和模，很容易得到：第八十一页，共123页。简并模过模滤波器特性曲线TE102模和TE201模简并第八十二页，共123页。简并模腔体的滤波特性曲线TE102和TE301简并第八十三页，共123页。两级简并模过模滤波器两级简并模滤波器级联第八十四页，共123页。两级简并模过模滤波器仿真和测试结果第八十五页，共123页。腔体加介质块的过模滤波器通过在腔体中添加介质块降低简并模腔体的体积。第八十六页，共123页。简并模腔体中的模式图第八十七页，共123页。简并模滤波器的仿真和测试结果第八十八页，共123页。消失模滤波器第八十九页，共123页。消失模（凋落模）滤波器消失模滤波器是指那些由截止波导构造的滤波器。由于在正常状态下这些波导中的波导模式不能传播，所以，被称为消失模（或凋落模）。消失模波导滤波器具有体积小、无载Q值高、阻带对高次谐波抑制好的特点。因此，受到微波工程师的重视。消失模滤波器的研究始于上世纪70年代。关于消失模滤波器的设计方法有很多种，常见的设计方法都是以场分析方法为基础。消失模滤波器有切比雪夫型、椭圆函数型等。第九十页，共123页。消失模（凋落模）滤波器通常，消失模滤波器的工作频率范围100MHz-40GHz。带寛1%-80%第九十一页，共123页。消失模滤波器的类型第九十二页，共123页。消失模滤波器的类型第九十三页，共123页。消失模滤波器的基本分析方法消失模滤波器设计方法与常规滤波器的设计方法类似。第九十四页，共123页。消失模滤波器设计实例P.Soto，“EfficientAnalysisandDesignStrategiesforEvanescentModeRidgeWaveguideFilters”Proceedingsofthe36thEuropeanMicrowaveConference，第九十五页，共123页。仿真和测试结果第九十六页，共123页。带中心脊的消失模波导滤波器VicenteE.Boria，“WaveguideFiltersforSatellites”，IEEEMicrowaveMagazinOct.2007,61-70第九十七页，共123页。带中心脊的消失模波导滤波器S曲线

第九十八页，共123页。不对称结构消失模滤波器第九十九页，共123页。复杂结构消失模滤波器吴须大，“消失模波导滤波器的新结构”，空间电