現(xiàn)代微波電路與器件設(shè)計4、波導濾波器設(shè)計西安電子科技大學蘇濤老師

波導濾波器設(shè)計波導濾波器概述波導濾波器形式設(shè)計思想和CAD方法設(shè)計實例現(xiàn)在是1頁\一共有42頁\編輯于星期二１、波導濾波器概述波導濾波器是傳輸線濾波器的一種。波導濾波器的特點：低插耗、高功率容量一般的，波導濾波器由不連續(xù)處和傳輸線段組成。兩者都可以等效為相應的集總參數(shù)元件和電路： 波導不連續(xù)結(jié)構(gòu)提供等效電抗； 傳輸線段等效諧振腔等?，F(xiàn)在是2頁\一共有42頁\編輯于星期二現(xiàn)在是3頁\一共有42頁\編輯于星期二波導濾波器的模式問題：TE10波導濾波器的性能是兩端口TE10之間的波導不連續(xù)性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高次模高次模對于主模TE10的作用相當于一個電抗。高次模時衰減的，而且衰減很快，所以是局部的。

不均性中高次模對于主模相當于jB現(xiàn)在是4頁\一共有42頁\編輯于星期二波導帶通濾波器２、波導濾波器形式現(xiàn)在是5頁\一共有42頁\編輯于星期二對稱膜片SymmetricalDiaphragm縱向/橫向條帶Longitudinal/Transversestrips方柱/圓柱Square/CircularPosts現(xiàn)在是6頁\一共有42頁\編輯于星期二３、設(shè)計思想和ＣＡＤ方法設(shè)計思想等效電路設(shè)計步驟現(xiàn)在是7頁\一共有42頁\編輯于星期二波導帶通濾波器具有多種形式；共同點 為什么采用這樣的結(jié)構(gòu)？為什么不用那樣的結(jié)構(gòu)？波導濾波器的通用CAD設(shè)計； 模式匹配；FDTD—— HFSS；CST；IE3D復雜結(jié)構(gòu)全波仿真和多變量優(yōu)化費時費力；設(shè)計思想：電路綜合理論和HFSS仿真相結(jié)合現(xiàn)在是8頁\一共有42頁\編輯于星期二port2port1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundaryBrianGray,Ansoft,”ExternalOptimizationUsingAnsoftHFSS”,AB053-9905,May1999.MichaelBrenneman,Ansoft,”AnsoftHFSSV7:OptimetricsTMCaseStudiesofOptimizationandParametrics”,1999HFSSUserWorkshop設(shè)計優(yōu)化變量太多仿真計算時間過長，內(nèi)存需求大可能得到非最優(yōu)結(jié)果現(xiàn)在是9頁\一共有42頁\編輯于星期二port2port1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary原型濾波器(等效電路)waveguidefilter(HFSS)SBCohn“Direct-coupled-resonatorfilters”Proc.IREpp187-96,Feb1957等效電路現(xiàn)在是10頁\一共有42頁\編輯于星期二說明１：具有倒置阻抗變換器的半波濾波器低通原型帶通（或其他）現(xiàn)在是11頁\一共有42頁\編輯于星期二Butterworth低通濾波器原型現(xiàn)在是12頁\一共有42頁\編輯于星期二Chebyshev低通濾波器原型現(xiàn)在是13頁\一共有42頁\編輯于星期二低通到帶通變換后，帶通原理電路，在微波中不易實現(xiàn)。并聯(lián)諧振腔電納斜率，串聯(lián)諧振腔電抗斜率其中，頻率變換后，帶通濾波器原理電路現(xiàn)在是14頁\一共有42頁\編輯于星期二微波濾波器常用結(jié)構(gòu)，阻抗變換器級聯(lián)串聯(lián)諧振。Ｊ變換器和并聯(lián)諧振回路類同。K阻抗變換器現(xiàn)在是15頁\一共有42頁\編輯于星期二或者變換的路徑如下：階梯ＬＣ到單一元件低通低通到帶通現(xiàn)在是16頁\一共有42頁\編輯于星期二說明２：Ｋ／Ｊ變換器現(xiàn)在是17頁\一共有42頁\編輯于星期二1/4波長阻抗變換器（阻抗倒置變換器）其他形式的阻抗變換器等效電路感性膜片結(jié)構(gòu)√容性膜片結(jié)構(gòu)×現(xiàn)在是18頁\一共有42頁\編輯于星期二電納Ｂ>0現(xiàn)在是19頁\一共有42頁\編輯于星期二現(xiàn)在是20頁\一共有42頁\編輯于星期二圓波導膜片和等效電路現(xiàn)在是21頁\一共有42頁\編輯于星期二說明3：傳輸線等效傳輸線段元件：電容、電阻、諧振腔變換器：四分之一阻抗變換器現(xiàn)在是22頁\一共有42頁\編輯于星期二一段開路傳輸線或者短路傳輸線作為諧振器。現(xiàn)在是23頁\一共有42頁\編輯于星期二說明4：濾波器分析和綜合響應電路綜合分析

特定電路階梯LCJ/K變換器非唯一現(xiàn)在是24頁\一共有42頁\編輯于星期二設(shè)計步驟port2port1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetryboundary

Step-by-stepprocedure

-optimizationofonedimensionineachstep耦合膜片設(shè)計傳輸線段設(shè)計現(xiàn)在是25頁\一共有42頁\編輯于星期二設(shè)計步驟1、由濾波器指標得到原型電路：得到K變換器的值；2、膜片尺寸設(shè)計（耦合設(shè)計）：使用HFSS優(yōu)化膜片尺寸，得到要求的K變換器的值對應膜片的尺寸；3、傳輸線尺寸設(shè)計（諧振器設(shè)計）：得到各傳輸線段的長度優(yōu)點：每一步僅僅有簡單結(jié)構(gòu)仿真，速度快；每一步僅僅有一個優(yōu)化變量，收斂快速；現(xiàn)在是26頁\一共有42頁\編輯于星期二以上步驟也可以沒有CAD的參與：由理論分析得到膜片的等效電路值——并聯(lián)電感和兩段負的傳輸線，半波長的諧振腔吸收負的傳輸線但是，對于某些形狀的膜片解析分析是困難的和近似的。說明1：傳統(tǒng)設(shè)計與CAD設(shè)計現(xiàn)在是27頁\一共有42頁\編輯于星期二說明2：結(jié)構(gòu)、等效電路和模式、場結(jié)構(gòu)就是元件，就是電路深層次的原因在于場分布模式不同場不同，等效不同前面等效電路已有論述如果兩個膜片非常近，是否任然可以分解為單個膜片加傳輸線段的電路現(xiàn)在是28頁\一共有42頁\編輯于星期二高次模對于主模TE10的作用相當于一個電抗。高次模時衰減的，而且衰減很快，所以是局部的。相鄰兩個膜片較遠時，一個的高次模無法到達另一個膜片，各自的影響是獨立的；兩個膜片模型是相同的，都是TE10激勵，高次模電抗影響；相鄰兩個膜片較近時，一個的高次模會受到另一個的影響，兩者是互相影響的；此時不能把相鄰膜片分成兩個單獨的膜片處理，要考慮高次模的耦合?，F(xiàn)在是29頁\一共有42頁\編輯于星期二4、設(shè)計實例DesignRequirementsf0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHzWR62現(xiàn)在是30頁\一共有42頁\編輯于星期二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（1a）由指標得到低通原型電路1、濾波器原型電路設(shè)計現(xiàn)在是31頁\一共有42頁\編輯于星期二Example:K′01=0.0775K′12=0.0048K′23=0.0034K′34=0.0032（1b）電路變換，得到K變換器的值現(xiàn)在是32頁\一共有42頁\編輯于星期二2、耦合設(shè)計Coupling 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 WR62波導：15.799mm*7.899mm現(xiàn)在是33頁\一共有42頁\編輯于星期二現(xiàn)在是34頁\一共有42頁\編輯于星期二與文獻有差別?。≒EC與有耗材料設(shè)置？計算精度？——）現(xiàn)在是35頁\一共有42頁\編輯于星期二3、傳輸線段設(shè)計DennefigurenerIKKEforf?rsteresonatorresonatorlength l1=10.839mm l2=11.346mm l3=11.395mm l4=11.395mm l5=11.346mm l6=10.839mm

現(xiàn)在是36頁\一共有42頁\編輯于星期二1現(xiàn)在是37頁\一共有42頁\編輯于星期二2現(xiàn)在是38頁\一共有42頁\編輯于星期二最后，可以建立濾波器模型，進行全部結(jié)構(gòu)的仿真，檢驗設(shè)計結(jié)果。在部分設(shè)計中，這一步是必須的，總體結(jié)果需要通盤考慮和進一步的修正?，F(xiàn)在是39頁\一共有42頁\編輯于星期二波導濾波器響應曲線現(xiàn)在是40頁\一共有42頁\編輯于星