《現(xiàn)代微波電路和器件設(shè)計(jì)》課件10、高效Chebyshev濾波器設(shè)計(jì)

1、現(xiàn)代微波電路和器件設(shè)計(jì)10、高效Chebyshev濾波器設(shè)計(jì)蘇 濤西安電子科技大學(xué)，電子工程學(xué)院2011年春 采用濾波器綜合知識(shí)，及其CAD技術(shù)，高效地設(shè)計(jì)一個(gè)Chebyshev帶通濾波器實(shí)例。完整的設(shè)計(jì)流程 Efficient Design of Chebyshev Band-Pass Fitlers with Ansoft HFSS and Serenade, Dr. B. Mayer and Dr. M.H. Vogel, Ansoft Corportation帶通濾波器指標(biāo)：中心頻率：400MHz通帶帶寬：15MHz帶內(nèi)波動(dòng)：0.1dB阻帶衰減：24dB（390MHz和410MHz之外

2、）高效Chebyshev濾波器設(shè)計(jì)一、微波原理電路綜合二、濾波器物理尺寸與等效參數(shù)三、初始濾波器設(shè)計(jì)四、濾波器修正五、濾波器分析采用Chebyshev函數(shù)逼近，由綜合知識(shí)得到其中，AL是阻帶衰減，AK是分貝波紋，W是歸一化阻帶寬度；在該例子中，AL=24dB；AK=0.1dB；W=10/7.5=1.33；代人，得到一、微波原理電路綜合原理電路設(shè)計(jì)：1、解析的方法：采用歸一化低通原型電路，再變換為包含J/K變換器和諧振回路的微波帶通濾波器原理電路；2、CAD的方法：采用Ansoft Designer，或者M(jìn)WO，進(jìn)行原理電路的CAD設(shè)計(jì)1.1 解析的方法 查表，或計(jì)算得到，7階帶內(nèi)波動(dòng)0.1dB

3、的Chebyshev濾波器的歸一化低通原型元件值如下：代人，得到1.2 CAD的方法電路模型和元件值設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)、變量和初值設(shè)定解析綜合優(yōu)化快速速度依賴優(yōu)化算法、初值等最優(yōu)解根據(jù)優(yōu)化算法不同，可能收斂于局域最優(yōu)解對(duì)損耗等非理想因素估計(jì)不足有所估計(jì)結(jié)構(gòu)固定結(jié)構(gòu)靈活注意公式，或模型的適用范圍1.3 綜合和優(yōu)化的簡(jiǎn)單比較1.4 損耗的估計(jì)和耦合系數(shù)修正損耗的影響：插入損耗、通帶帶寬變窄、帶外衰減減弱耦合諧振腔帶通濾波器中，即腔體Q值Q=2500傳統(tǒng)的方法，估計(jì)中心插耗的大小f0，中心頻率；g，歸一化低通元件值；BW，通帶帶寬；Q，腔體無(wú)載Q值傳統(tǒng)的方法僅能估計(jì)中心插耗，但是波形畸變同樣需要修正。可以

4、通過(guò)簡(jiǎn)單的CAD方法，在有限Q值時(shí)，修正耦合系數(shù)。（1）腔體Q值計(jì)算表面電阻損耗（2）有限Q值修正耦合系數(shù)優(yōu)化求解滿足通帶插損的耦合系數(shù)，以理論值做初值收斂較快。帶通濾波器指標(biāo)：中心頻率：400MHz通帶帶寬：15MHz通帶損耗：1.5dB帶內(nèi)波動(dòng)：0.5dB (0.1dB)阻帶衰減：24dB（390MHz和410MHz之外）實(shí)際濾波器簡(jiǎn)單指標(biāo)要求本征值、無(wú)載Q值預(yù)先結(jié)構(gòu)分析高效CAD可實(shí)現(xiàn)性、拓?fù)涞裙こ套顑?yōu)二、濾波器物理尺寸與等效參數(shù) 濾波器設(shè)計(jì)的最后一步就是物理結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。這就包括兩個(gè)重要的部分： 結(jié)構(gòu)的選擇 結(jié)構(gòu)尺寸的等效參數(shù) 其一，根據(jù)電氣要求，及其重量、尺寸和造價(jià)等綜合選擇濾波器的形

5、式，比如同軸腔濾波器或微帶濾波器等；其二微波電路中“結(jié)構(gòu)就是參數(shù)”，設(shè)計(jì)微波器件，需要確定相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇那些結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終的設(shè)計(jì)尺寸是多少，就是微波器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)要求，該濾波器采用同軸腔實(shí)現(xiàn)，如圖。2.1 濾波器選型濾波器結(jié)構(gòu)中確定的尺寸：腔體內(nèi)尺寸：280*30*120mm諧振器直徑：10mm桶內(nèi)直徑：12mm桶外直徑：16mm桶高度：15mm天線直徑：26mm天線厚度：6mm濾波器結(jié)構(gòu)中可調(diào)的尺寸（設(shè)計(jì)尺寸）：第1個(gè)和最后1個(gè)諧振圓柱的高度（等高的）5個(gè)內(nèi)部的諧振圓柱高度（設(shè)為等高的）相鄰圓柱的距離（濾波器結(jié)構(gòu)對(duì)稱）天線和最近圓柱的距離2.2 濾波器結(jié)構(gòu)尺寸與電路參

6、數(shù)的關(guān)系諧振圓柱的高度，濾波器腔體諧振頻率；相鄰圓柱的距離，腔間耦合系數(shù)；天線和最近圓柱的距離，源/負(fù)載耦合系數(shù)；當(dāng)然，相鄰圓柱的距離同樣會(huì)影響腔體諧振頻率；（1）諧振柱距離和耦合系數(shù)的關(guān)系模型要點(diǎn)：1、本征模分析諧振柱距離和耦合系數(shù)的關(guān)系；2、先得到中心頻率400MHz下圓柱的高度，在此高度下分析距離與耦合系數(shù)的關(guān)系；3、兩側(cè)壁足夠遠(yuǎn)，無(wú)影響即可；4、合理應(yīng)用對(duì)稱面簡(jiǎn)化分析規(guī)模；5、模型參數(shù)化；6、所謂Output Variables的設(shè)定；（2）外部Q值和天線距離的關(guān)系模型要點(diǎn)：1、本征模分析外部Q值與天線與最近圓柱距離的關(guān)系；2、應(yīng)用PML仿真負(fù)載接入；3、模型的邏輯運(yùn)算。外部Q值與間隔

7、的關(guān)系（計(jì)算值）外部Q值與間隔的關(guān)系（文獻(xiàn)資料）三、初始濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)前面的子工程，我們可以得到濾波器設(shè)計(jì)的初始值兩側(cè)諧振柱長(zhǎng)度：113.4mm中間諧振柱長(zhǎng)度：114.69mm天線與諧振柱間距：1.879mm諧振柱之間的距離：35.513mm，38.291mm，38.767mm濾波器全波仿真初始尺寸濾波器響應(yīng)曲線（文獻(xiàn)值） 由于濾波器的初始尺寸由子工程確定，而子工程中僅僅考慮了部分因素的影響，得到的結(jié)構(gòu)尺寸只能是近似值，所以初始結(jié)構(gòu)仿真的響應(yīng)與理想響應(yīng)有差距。 在前面的設(shè)計(jì)策略中，由子工程得到主要因素下結(jié)構(gòu)尺寸與等效參數(shù)的關(guān)系；再綜合全局仿真；初始結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真和理想之間的差距不可避免，那么如

8、何修正這一差距，就是濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。四、濾波器修正4.1 曲線擬合得到等效參數(shù) 已經(jīng)由全波仿真得到濾波器初始尺寸的響應(yīng)，可以采用曲線擬合，得到該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的等效參數(shù)，比如外部Q值和腔間耦合值，看看與理想值的偏差，以便后期修正。 理想值 外側(cè)腔體諧振頻率：400MHz 內(nèi)側(cè)腔體諧振頻率：400MHz 外部Q值：31.498 腔間耦合系數(shù)：k12=0.02893, k23=0.02171, k34=0.02065曲線擬合（文獻(xiàn)值） 必須指出的是，上面的過(guò)程也稱為“參數(shù)提取”，而參數(shù)提取通常是非唯一的，比如：已知兩個(gè)數(shù)的和求這兩個(gè)數(shù)，是有多解的。這是該方法的最大問(wèn)題和挑戰(zhàn)。 如果參數(shù)提取出現(xiàn)偏差

9、，將導(dǎo)致修正方向錯(cuò)誤，修正失敗。 曲線擬合結(jié)果 外側(cè)腔體諧振頻率：400.058MHz 內(nèi)側(cè)腔體諧振頻率：399.926MHz 外部Q值：30.368 腔間耦合系數(shù)：k12=0.02825, k23=0.02173, k34=0.02068最大的偏差發(fā)生在k12和外部Q值。 根據(jù)偏差量，并在前面子工程中對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析幫助下，得到修正的尺寸兩側(cè)諧振柱長(zhǎng)度：113.44mm中間諧振柱長(zhǎng)度：114.684mm天線與諧振柱間距：1.928mm諧振柱之間的距離：35.286mm，38.3mm，38.78mm4.2 修正濾波器設(shè)計(jì)修正后濾波器全波仿真響應(yīng)五、濾波器分析5.1 有耗的影響5.2 功率容量分析

10、5.3 機(jī)械加工公差分析5.1 有耗的影響 通常為了計(jì)算快速，前面的分析中采用了PEC材料，進(jìn)行無(wú)耗系統(tǒng)的分析；可以非常方便的改變材料和邊界為有耗，更接近實(shí)際的仿真濾波器的性能。無(wú)耗和有耗的仿真差別 重要的是，可以觀察到無(wú)耗到有耗的變化，絕不僅僅是插入損耗的降低；損耗的影響還將導(dǎo)致帶內(nèi)波動(dòng)的變大、通帶帶寬的變窄、通帶邊緣變圓滑等等。 更加合理的設(shè)計(jì)策略應(yīng)該在原理電路設(shè)計(jì)中就考慮濾波器損耗的影響，比如考慮有限的無(wú)載Q值，得到理想外部Q值和腔間耦合系數(shù)。通常先做單諧振腔本征模仿真，確定其無(wú)載Q值，并設(shè)計(jì)原理電路，如果無(wú)法達(dá)到指標(biāo)，比如插耗過(guò)大，則需要提高Q值。5.2 功率容量分析 濾波器的功率容量，可以非常方便的由全波仿真結(jié)果得到。 一般的講，空氣中電場(chǎng)大于3MV/m將發(fā)生擊穿現(xiàn)象；工程上預(yù)留余量（空氣潮濕等將導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)降低），一般設(shè)計(jì)使場(chǎng)強(qiáng)小于1MV/m。 HFSS仿真的結(jié)果是在假定源1W時(shí)分析得到的。濾波器腔體場(chǎng)強(qiáng)分布此時(shí)，腔體的最大場(chǎng)強(qiáng)為105kV/m顯然，場(chǎng)強(qiáng)還可以放大9.5倍，即最大功率為9.5*9.5=90W5.3 機(jī)械加工公差分析 進(jìn)一步給出機(jī)械加工的公差在工程中是重要的。 這不僅僅體現(xiàn)確定公差才能設(shè)計(jì)工藝，過(guò)于嚴(yán)格