現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)講座(21)課件

1、廣義切比雪夫?yàn)V波器的電路仿真大綱前言廣義切比雪夫?yàn)V波器串聯(lián)諧振電路的仿真模型廣義切比雪夫?yàn)V波器并聯(lián)諧振電路的仿真模型計(jì)算實(shí)例源與負(fù)載直接耦合濾波器電路模型含非諧振節(jié)點(diǎn)的濾波器電路模型含高次模節(jié)點(diǎn)的濾波器電路模型幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的廣義切比雪夫?yàn)V波器電路模型源與負(fù)載為復(fù)阻抗的廣義切比雪夫?yàn)V波器電路模型多通帶廣義切比雪夫?yàn)V波器電路模型電路仿真的意義電路模型反映了濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過電路模型可以建立幾何結(jié)構(gòu)與濾波器參數(shù)之間的聯(lián)系。通過電路模型，可以對濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化?？梢钥s短研制周期。廣義切比雪夫?yàn)V波器的等效電路圖一、A. E. Atia的 n 腔耦合濾波器等效電路模型正交耦合濾波器的

2、串聯(lián)型等效電路模型 正交耦合濾波器 一個(gè)諧振腔既可以用串聯(lián)諧振回路表示也可以用并聯(lián)諧振回路表示。當(dāng)我們使用串聯(lián)諧振回路表示諧振腔時(shí)，腔之間的耦合用K變換器表示。當(dāng)我們使用并聯(lián)諧振回路表示諧振腔時(shí)，腔之間的耦合用J變換器表示。 我們先考慮一個(gè)不包括源和負(fù)載耦合三腔正交耦合濾波器。3腔正交耦合濾波器的電路模型圖二、3腔正交耦合濾波器的電路模型 3腔正交耦合濾波器的電路模型 K變換器的等效電路 根據(jù)電路理論，阻抗變換器可以用一個(gè)具有電抗特性的T形網(wǎng)絡(luò)表示。T型網(wǎng)絡(luò)電抗元件的電抗值就是它們的變比。如果是磁耦合，K變換器的等效電路為圖中的（a）。如果是電耦合，K變換器的等效電路為圖中的（b）。圖三、K變

3、換器的等效電路 3腔正交耦合濾波器的等效電路模型 圖四、3腔正交耦合濾波器的串聯(lián)諧振回路等效電路模型3腔正交耦合濾波器的電路方程矩陣形式的電路方程或，上述方程可以寫成如下的矩陣形式 ：其中， 是的阻抗矩陣。阻抗矩陣歸一化阻抗矩陣歸一化阻抗矩陣可以寫成下面的形式， n腔正交耦合濾波器矩陣方程的一般形式 低通原型和帶通濾波器之間的變換低通到帶通的頻率變換式為：其中， 分別為上下邊帶頻率； 為通帶中心頻率； 為分?jǐn)?shù)帶寛。 是歸一化頻率。濾波網(wǎng)絡(luò)對端口歸一化 圖六、三腔正交耦合濾波器歸一化等效電路模型 包括源與負(fù)載耦合的濾波器電路方程正交耦合濾波器電路方程的一般形式 其中：或包括源與負(fù)載耦合的濾波器的

4、歸一化耦合矩陣腔體的等效電容腔體的等效阻抗其中， 是腔體品質(zhì)因數(shù)。歸一化耦合系數(shù)與電路參數(shù)的關(guān)系腔體之間的耦合腔體與源或負(fù)載之間的耦合源與負(fù)載之間的耦合腔體諧振頻率在電路中用電長度為90度，特性阻抗值為K的理想傳輸線段表示K變換器。用什么表示K變換器？ZinZLZ0仿真用電路軟件的選擇在ADS和Microwave Office軟件中電長度為90度的理想傳輸線段對應(yīng)的頻率是一個(gè)固定值。ADS和Microwave Office中理想傳輸線段的特性阻抗值不能為負(fù)值。當(dāng)耦合系數(shù)為負(fù)時(shí)，只能將傳輸線電長度設(shè)為-90度。Ansoft Designer中電長度為90度的理想傳輸線段所對應(yīng)的頻率可以是一個(gè)變量

5、，隨著掃描頻率變化。Ansoft Designer中理想傳輸線段的特性阻抗值可以為負(fù)值。串聯(lián)諧振等效電路模型4階交叉耦合濾波器中心頻率：7.5GHz帶寛：25MHz腔體Q值：4000反射損耗：-20dB串聯(lián)諧振等效電路模型電路模型計(jì)算結(jié)果S參數(shù)：計(jì)算結(jié)果群時(shí)延計(jì)算結(jié)果腔體儲(chǔ)能正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效電路模型 正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效電路模型 正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效電路模型 圖七、三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路電路模型 導(dǎo)納變換器J圖八、導(dǎo)納變換器及其等效電路 三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路等效電路模型圖九、三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路等效電路 電路方程矩陣形式電路方程或N腔正交

6、耦合濾波器N腔正交耦合濾波器端口歸一化圖十、三腔正交耦合濾波器歸一化等效電路模型 源和負(fù)載與腔體之間的耦合系數(shù)歸一化耦合系數(shù)與電路參數(shù)之間的關(guān)系腔體之間的耦合腔體與源或負(fù)載之間的耦合源與負(fù)載之間的耦合腔體的實(shí)際諧振頻率腔體的等效電容腔體的等效導(dǎo)納其中， 是腔體品質(zhì)因數(shù)。在電路中用電長度為90度，特性阻抗值為J的理想傳輸線段表示J變換器。用什么表示 J 變換器？ZinZLZ0串聯(lián)諧振等效電路模型4階交叉耦合濾波器中心頻率：7.5GHz帶寛：25MHz腔體Q值：4000反射損耗：-20dB串聯(lián)諧振等效電路模型電路模型計(jì)算結(jié)果S參數(shù)：計(jì)算結(jié)果群時(shí)延計(jì)算結(jié)果腔體儲(chǔ)能更多的計(jì)算實(shí)例 例一、 3腔濾波器的

7、優(yōu)化倪大寧，“源-負(fù)載耦合交叉耦合濾波器綜合與設(shè)計(jì)”，西安電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2007.1綜合以后的結(jié)果存在的問題工作帶寬有一點(diǎn)偏；綜合以前對帶外的抑制特性不太明確；綜合產(chǎn)生的耦合系數(shù)在物理上能否實(shí)現(xiàn)不了解；綜合的結(jié)果不一定是唯一的。因此，需要用優(yōu)化方法對綜合以后的結(jié)果進(jìn)行篩選和修正。優(yōu)化前后的比較優(yōu)化后的結(jié)果優(yōu)化前的結(jié)果新的耦合矩陣新矩陣舊矩陣化簡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)新的耦合矩陣源負(fù)載優(yōu)化結(jié)果例二、包含源與負(fù)載耦合的例子Smain Amari，“Adaptive Synthesis and Design of Resonator Filters With Source/Load-Multires

8、onator Coupling”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 8, AUGUST 2002， P 1696-1978中心頻率：26.453GHz; 帶寬：41MHz零點(diǎn)頻率：f1=26.323GHz; f2=26.524GHz; f1=26.607GHz; 資料的仿真結(jié)果Designer的仿真結(jié)果例三、帶阻濾波器的例子（同軸線連接）Richard J. Cameron, Ying Wang and Ming Yu， “Direct-Coupled Realizations for Micr

9、owave Bandstop Filters”，2005計(jì)算結(jié)果例四、帶抑制諧振器的濾波器文獻(xiàn)結(jié)果計(jì)算結(jié)果例五、含非諧振結(jié)點(diǎn)的濾波器電路仿真把非諧振節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在濾波器設(shè)計(jì)中是Amari等人在2004年提出的。在不存在源與負(fù)載耦合的條件下，也可以實(shí)現(xiàn)最大數(shù)量為N的有限頻率傳輸零點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)得益于推出了它的電路模型。一個(gè)Combline Filter的例子Smain Amari, “Synthesis of Inline Filters With Arbitrarily Placed Attenuation Poles by Using Nonresonating Nodes”， IEEE T

10、RANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 10, OCTOBER 2005， P3075-3081資料給出的參數(shù)含非諧振結(jié)點(diǎn)的電路模型Smain Amari,” New Building Blocks for Modular Design of Elliptic and Self-Equalized Filters”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 52, NO. 2, FEBRUARY 2004，P 721-736計(jì)算結(jié)果仿真電

11、路圖非諧振節(jié)點(diǎn)不含電抗分量仿真結(jié)果S參數(shù)仿真結(jié)果群時(shí)延仿真結(jié)果各個(gè)腔體的儲(chǔ)能例六、含高階諧振器的濾波器仿真這個(gè)概念是Amari在2005年提出的。它的主要優(yōu)勢在多通帶濾波器。在低通帶，高階腔體可作為低階腔體的非諧振節(jié)點(diǎn)。反之，在高通帶，低階腔體可作為高階腔體的非諧振節(jié)點(diǎn)。例六、含高階諧振器的濾波器仿真Marjan Mokhtaari, Jens Bornemann and Smain Amari，“Advanced Filter Design Using Cross-CoupledNetworks With Higher-Order Resonances”， in Proc., 35th Eu

12、r.Microw. Conf.,Paris, France, Oct. 2005, P1423-1426拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和耦合矩陣仿真電路S參數(shù)仿真結(jié)果仿真結(jié)果各個(gè)腔體的儲(chǔ)能仿真結(jié)果各個(gè)腔體的儲(chǔ)能仿真結(jié)果群時(shí)延例七、箱形濾波器的等效電路Richard J. Cameron, “Advanced Coupling Matrix Synthesis Techniquesfor Microwave Filters”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2003 1， p1-10仿真電路仿

13、真結(jié)果S參數(shù)仿真結(jié)果各個(gè)腔體儲(chǔ)能仿真結(jié)果群時(shí)延另外一個(gè)箱形濾波器的例子資料上計(jì)算結(jié)果濾波器等效電路仿真結(jié)果S參數(shù)仿真結(jié)果各個(gè)腔體儲(chǔ)能仿真結(jié)果群時(shí)延例八、異形結(jié)構(gòu)濾波器資料的計(jì)算結(jié)果濾波器等效電路仿真結(jié)果S參數(shù)仿真結(jié)果各個(gè)腔體儲(chǔ)能仿真結(jié)果群時(shí)延例九、串行與并行電路的比較Smain Amari,” Physical Interpretation and Implications of Similarity Transformations in Coupled Resonator Filter Design”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TEC

14、HNIQUES, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2007， P1139-1152S參數(shù)結(jié)果完全相同，損耗也相同。兩種結(jié)構(gòu)的群時(shí)延也相同群時(shí)延但是，腔體儲(chǔ)能不同。串聯(lián)結(jié)構(gòu)腔體儲(chǔ)能腔體儲(chǔ)能不同。并聯(lián)結(jié)構(gòu)腔體儲(chǔ)能例十、含移相段的電路仿真Smain Amari, “Synthesis and Design of Novel In-Line Filters With One or Two Real Transmission Zeros”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 52, NO. 5, MAY 2004P1464-1477文獻(xiàn)給出的結(jié)果Designer 電路圖Designer仿真結(jié)果S參數(shù)Designer仿真結(jié)果群時(shí)延Designer仿