现代滤波器设计讲座(3波导滤波器设计)课件.ppt

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1、波导滤波器设计,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；,腔体级联耦合波导滤波器,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,波导滤波器设计举例,设计参数：f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz滤波器从 14.9到 15.35

2、 GHz连续可调,BJ-140波导技术参数：a=15.8mm;b=7.9mm;工作频率范围：11.918GHz,滤波器原型,1a)Obtain low-pass prototype parameters (gi) from filter specifications (see e.g. Matthaei*),f0 BW IL RL,*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992

3、,带K变换器滤波器模型,1b)Calculate K-inverters (band-pass prototype parameters),Example:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=0.0032,K变换器的S参数,在滤波器中心工作频率,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；,优化耦合系数,For all couplings: Optimize coupling to give the right K-inverter value at the center frequency,优化谐振腔长度,For all resonato

4、rs: calculate resonator length, fine tune until the structure resonates at the center frequency,Denne figuren er IKKE for frste resonator,resonator lengthl1 = 10.839 mml2 = 11.346 mml3 = 11.395 mml4 = 11.395 mml5 = 11.346 mml6 = 10.839 mm,滤波器测试结果,Designed at 15.35 GHzTunable from 14.9 to 15.35 GHzMe

5、asured at 15.32 GHz,data centered on f0,仿真与测试结果比较,利用周期结构提高带外抑制,利用EBG结构缩短波导滤波器长度,利用交叉耦合产生传输零点,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。,ERDEM OFLI, “ANALYSIS AND DESIGN OF MICROWAVE AND MILLIMETER-WAVE FILTERS AND DIPLEXERS”, SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH, Doctoral Thesis ETH No. 15771,

6、E平面金属插片交叉耦合滤波器,f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB,四腔交叉耦合滤波器,return loss is 20 dB center frequency 11.55 GHz bandwidth of 200MHz,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,Ka波段四腔交叉耦合滤波器设计,f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB,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TE

7、101模；3腔是TE102模,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,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,产生非对称零点的四腔滤波器,f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB,非对称零点四腔滤波器仿真结果,f0 = 30.25 GHz,BW = 500MHz；RL = 20 dB,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。,包含源与负载直接耦合的2腔滤波器,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

8、载耦合的结果。,使用抑制谐振器产生传输零点,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（Rejection Resonator）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. Rhodes and R. J. Cameron, “General extracted pole synthesis technique with application to lo

9、w-loss TE -mode filters,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-28, pp. 10181028, Sept. 1980.,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。,采用抑制谐振器的等效电路,Amari, “Synthesis and Design of Novel In-Line Filters With One or Two Real Transmission Zeros”，IEEE TRANS. ON MTT,

10、 VOL. 52, NO. 5, MAY 2004, 1464-1478,使用1个抑制谐振器的3阶滤波器,使用2个抑制谐振器的3阶滤波器,使用抑制谐振器的滤波器结构,三阶滤波器零点高于中心频率,三阶滤波器零点低于中心频率,T. Sieverding 设计的滤波器,T. Sieverding and F. Arndt, “Field theoretic CAD of open or aperture matched Tjunction coupled rectangular waveguide structures,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vo

11、l. 40, no. 2, pp. 353362, 1992.,二阶滤波器具有2个零点,R. Montejo-Garai, “Synthesis and Design of In-Line N-Order FiltersWith N Real Transmission Zeros by Means of Extracted Poles Implemented in Low-Cost Rectangular H-Plane Waveguide”, IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 53, NO. 5, MAY 2005 1636-1642,三阶滤波器具有1个零点,四阶滤波器具有2

12、个零点,八阶滤波器具有2个零点,使用抑制谐振器设计双工器的实例,技术要求：,滤波器拓扑结构,低通带和高通带使用同一结构。,上通带滤波器综合曲线,双工器整体结构,双工器仿真结果和测试结果,仿真曲线 测试曲线,利用非谐振节点产生传输零点,利用非谐振节点产生传输零点,Smain Amari在2004年把非谐振节（Non-Resonator Node）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

13、波网络组合在一起。不会影响各个网络的滤波特性。,Smain Amari, Uwe Rosenberg, and Jens Bornemann, “Singlets, Cascaded Singlets, and the Nonresonating Node Model for Advanced Modular Design of Elliptic Filters”，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 14, NO. 5, MAY 2004，237-239,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,非谐振节

14、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。,使用非谐振节点滤波器低通模型,Amari, “In-line Pseudoelliptic Band-Reject Filters With Nonresonating Nodes and/or Phase Shifts”, IEEE TRANS ON MTT, VOL. 54, NO. 1, JANUARY 2006, 428-436,使用非谐振节点的3阶滤波器结构,使用非谐振节点的3阶滤波器测试结果,用非谐振节点产生传输零点例子,S. Cogollos, “Synthesis and Design P

15、rocedure for High Performance Waveguide Filters Based on Nonresonating Nodes”，Microwave Symposium, 2007. IEEE/MTT-S International3-8, June 2007 Page(s):1297 - 1300,6阶单腔3模滤波器,6阶单腔3模滤波器测试结果,Amari, “New In-Line Dual- and Triple-Mode Cavity Filters With Nonresonating Nodes”, IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 53,

16、 NO. 4, APRIL 2005, 1272-1279,利用过模谐振器产生传输零点,概述,利用过模谐振器产生传输零点的技术最早在2001年由Marco Guglielmi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, and D. Schmitt, “A new family of all-inductive dual-mode filt

17、ers,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 10, pp. 17641769, Oct. 2001.,非简并模式过模滤波器模型,Bornemann, J.; Amari, S.; Vahldieck, R.; “A flexible S-matrix algorithm for the design of folded waveguide filters”，Microwave Conference, 2005 EuropeanVolume 1, 4-6 Oct. 2005 Page(s):4 pp.,非简并模过模滤波器单元等效电路,

18、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。,耦合量与耦合孔位置的关系,基模,耦合量与耦合孔位置的关系,2次模,耦合量与耦合孔位置的关系,3次模,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。,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。,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。,Q波段4腔滤波器,Fig.4.7(a),f0 = 38.80 GHz, BW = 500M

19、Hz and RL = 23 dB Fig.4.7(b), f0 = 39.50 GHz, BW = 500MHz and RL = 23 dB,Q波段4腔滤波器仿真结果,Q波段4腔滤波器仿真结果,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,Q波段4腔滤波器测试结果,膜片耦合过模腔体滤波器,几种E面膜片耦合过模滤波器结构,Ku波段滤波器设计实例,实物照片 测试结果,使用多个过模腔体的波导滤波器,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。,Designer 仿真结果（1）,耦合矩阵,Designer 仿真结果（2）,耦合矩阵,简并过模谐

20、振腔的耦合,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：,简并模过模滤波器特性曲线,TE102模和TE201模简并,简并模腔体的滤波特性曲线,TE102和TE301简并,两级简并模过模滤波器,两级简并模滤波器级联,两级简并模过模滤波器仿真和测试结果,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。,简并模腔体中的模式图,简并模滤波器的仿真和测试结果,消失模滤波器,消失模（凋落模）滤波器,消失模滤波器是指那些由截

21、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。,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%,消失模滤波器的类型,消失模滤波器的类型,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。,消失模滤波器设计实例,P. Sot

22、o， “Efficient Analysis and Design Strategies for Evanescent Mode Ridge Waveguide Filters” Proceedings of the 36th European Microwave Conference，,仿真和测试结果,带中心脊的消失模波导滤波器,Vicente E. Boria，“Waveguide Filters for Satellites”，IEEE Microwave Magazin Oct. 2007,61-70,带中心脊的消失模波导滤波器S曲线,不对称结构消失模滤波器,复杂结构消失模滤波器,吴须

23、大， “消失模波导滤波器的新结构”，空间电子技术，2003 年第4 期，47-51,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”，空间电子技术，2003 年第4 期，47-51,复杂结构消失模滤波器实验结果,中心频率4080MHz ,带宽为30 MHz ,波导滤波器性能比较,四种基本结构的滤波器,波导膜片滤波器,波导膜片滤波器仿真结果,耦合腔滤波器,耦合腔滤波器仿真结果,圆杆消失模滤波器,圆杆消失模滤波器仿真结果,方杆消失模滤波器,方杆消失模滤波器仿真结果,消失模滤波器设计实例,确定耦合系数,中心频率：11GHz带宽：500MHz回波损耗：23dB,谐振器基本模式,最低模式谐振频率介质柱 （r=0.5-2.5mm）,最低模式的电场和磁场结构,电场 磁场,计算耦合系数,计算有载Q值模型,有载Q值 与K01的 关系,计算有载Q值,谐振频率 有载Q值,两种设计比较,R2=0.8mm R2=2.169mm,S曲线,R2=0.8mm R2=2.169mm,寄生通带特性,R2=0.8mm R2=2.169mm,