現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座ppt課件

1、電子科技大學(xué)電子科技大學(xué) 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座（二）現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座（二）廣義切比雪夫濾波器的電路仿真大綱大綱n前言n廣義切比雪夫濾波器串聯(lián)諧振電路的仿真模型n廣義切比雪夫濾波器并聯(lián)諧振電路的仿真模型n計算實例n源與負載直接耦合濾波器電路模型n含非諧振節(jié)點的濾波器電路模型n含高次模節(jié)點的濾波器電路模型n幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的廣義切比雪夫濾波器電路模型n源與負載為復(fù)阻抗的廣義切比雪夫濾波器電路模型n多通帶廣義切比雪夫濾波器電路模型電路仿真的意義電路仿真的意義n電路模型反映了濾波器的拓撲結(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。n通過電路模型，可以對濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)和

2、幾何尺寸進行優(yōu)化。n可以縮短研制周期。廣義切比雪夫濾波器的等效電路廣義切比雪夫濾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( 1 )( 2 )( i )( j )( n-1 )( n )1iNi1,im1H1/2H 1/2H1/2H 1/2H1/2H 1/2H1/2H 1/2H1H1,2m2,im,1j nm2, jm2,1nm2,nm1,nnm, i jm,1i nm, i nm,1i nm1,nm正交耦合濾波器的串聯(lián)型等效正交耦合濾波器的串聯(lián)型等效電路模型電路模型 正交耦合濾波器正交耦合濾波器 n一個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

3、們使用串聯(lián)諧振回路表示諧振腔時，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，腔之間的耦合用J變換器表示。 n我們先考慮一個不包括源和負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腔正交耦合濾波器的電路模型1iiRQ1,2,3i 1iiiLC1,2,3i K變換器的等效電路變換器的等效電路 n根據(jù)電路理論，阻抗變換器可以用一個具有電抗特性的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

4、b）。圖三、K變換器的等效電路 3腔正交耦合濾波器的等效電路模型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腔正交耦合濾波器的電路方程0)1(0)1(1333322311332322221123132121111iCjLjRRijKijKijKiCjLjRijKeijKijKiCjLjRRLss矩陣形式的電路方程矩陣形式的電路方程00321333231323222121312111sLSeiiijRRjKjKjKjRjKjKjKjRR Zie或，上述方程可以寫成如下的矩陣形式 ： Z3 3其中， 是的阻抗矩陣。阻抗矩陣阻抗矩陣

5、333231323222121312111jRRjKjKjKjRjKjKjKjRRZLS20122iiiiimFBWmFBW歸一化阻抗矩陣歸一化阻抗矩陣n歸一化阻抗矩陣可以寫成下面的形式， 1111213221222331323330000 00000000 sLpRrmmmZpjrmmmpmmmRrp Ij RMn腔正交耦合濾波器矩陣方程的一般形式腔正交耦合濾波器矩陣方程的一般形式 jp Ij RMieFBW121000000 000000SnLnRrrRrRrLLLLLLLLL11121(1)121222(1)2(1)1(1)2(1)(1)(1)12(1)nnnnnnnnnnnnn nnn

6、mmmmmmmmMmmmmmmmmLLLLLLLLL低通原型和帶通濾波器之間的變換低通原型和帶通濾波器之間的變換n低通到帶通的頻率變換式為：n其中，n 分別為上下邊帶頻率； 為通帶中心頻率； 為分數(shù)帶寛。 是歸一化頻率。012210FBW001FBW 12, 0FBW1;1 2;1 濾波網(wǎng)絡(luò)對端口歸一化濾波網(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 包括源與負載耦合的濾波器電路方程包括源與負載耦合的濾波器電路方程1111111110.00.000.00.0.000.00 .00.000.0.00.0000.0sssNsLsNLsNNNNNLNLsLLmmmRmmmmrZjmm

7、mmrmmmR0 NLUj RM jUj RMieFBW正交耦合濾波器電路方程的一般形式正交耦合濾波器電路方程的一般形式 jZieFBW其中：其中：或或包括源與負載耦合的濾波器的包括源與負載耦合的濾波器的歸一化耦合矩陣歸一化耦合矩陣1111111100ssNsLsNLsNNNNNLsLLNLmmmmmmmMmmmmmmmLLLLLLLLLn腔體的等效電容n腔體的等效阻抗n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)歸一化耦合系數(shù)與電路參數(shù)的關(guān)系系n腔體之間的耦合n腔體與源或負載之間的耦合n源與負載之間的耦合n腔體諧振頻率;sisiKmFBWLjLjKmFBWijijKm FBWSLSL

8、Km20122iiiiimFBWmFBW11;iiiiLC01iRQ0Qn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。用什么表示用什么表示K變換器？變換器？lK Z L Z L K 2 Z = IN ZinZLZ0仿真用電路軟件的選擇仿真用電路軟件的選擇n在ADS和Microwave Office軟件中電長度為90度的理想傳輸線段對應(yīng)的頻率是一個固定值。nADS和Microwave Office中理想傳輸線段的特性阻抗值不能為負值。當(dāng)耦合系數(shù)為負時，只能將傳輸線電長度設(shè)為-90度。nAnsoft Designer中電長度為90度的理想傳輸線段所對應(yīng)的頻率可以是一個變量，

9、隨著掃描頻率變化。nAnsoft Designer中理想傳輸線段的特性阻抗值可以為負值。串聯(lián)諧振等效電路模型串聯(lián)諧振等效電路模型n4階交叉耦合濾波器n中心頻率：7.5GHzn帶寛：25MHzn腔體Q值：4000n反射損耗：-20dB01.02090000000.856900.2167000.856900.784900000.784900.8569000.216700.856901.0209000000M串聯(lián)諧振等效電路模型串聯(lián)諧振等效電路模型n電路模型EE=90degF=FZ=m01*Sqrt(bwf)EE=90degF=FZ=m14*bwfEE=90degF=FZ=m12*bwfEE=90d

10、egF=FZ=m23*bwfEE=90degF=FZ=m34*bwfEE=90degF=FZ=m01*Sqrt(bwf)+AI_1+AI_2+AI_3+AI_4R=1/QuC=C2L=L2R=1/QuC=C3L=L3R=1/QuC=C4L=L4R=1/QuC=C1L=L100計算結(jié)果計算結(jié)果nS參數(shù)：計算結(jié)果計算結(jié)果n群時延計算結(jié)果計算結(jié)果n腔體儲能212iiWL I正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效電路模型電路模型 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 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

11、波器的并聯(lián)諧振回路電路模型 導(dǎo)納變換器導(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)諧振三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路等效電路模型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 電路方程電路方程1111221331121222233213123233331()1()01()0ssLGGj CvjJvjJvij LjJvGj CvjJvj LjJvjJvGGj Cvj L矩陣形式電路方程矩陣形式電路方程或111213112122232233132333()()00()SsLGGjjJjJvijJGjjJvvjJjJGGj Yvi111121322122233

12、1323330000 00000000 sLpGgtttYpjgtttptttGgp Ij GTN腔正交耦合濾波器腔正交耦合濾波器121000000 000000SnLnGggGgGgLLLLLLLLL11121(1)121222(1)2(1)1(1)2(1)(1)(1)12(1) nnnnnnnnnnnnn nnnttttttttTttttttttLLLLLLLLLN腔正交耦合濾波器腔正交耦合濾波器端口歸一化端口歸一化圖十、三腔正交耦合濾波器歸一化等效電路模型 源和負載與腔體之間的耦合系數(shù)源和負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)系歸一化耦合系數(shù)與電路參數(shù)之間的關(guān)系n腔體之

13、間的耦合n腔體與源或負載之間的耦合n源與負載之間的耦合n腔體的實際諧振頻率11;sisiJmFBW11LjLjJmFBW1ijijijJFBW tFBW m1SLSLJm20122iiiiimFBWmFBWn腔體的等效電容n腔體的等效導(dǎo)納n其中， 是腔體品質(zhì)因數(shù)。11;iiiiLC001;iiGRQQ0Qn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。用什么表示用什么表示 J 變換器？變換器？lK Z L Z L K 2 Z = IN ZinZLZ0串聯(lián)諧振等效電路模型串聯(lián)諧振等效電路模型n4階交叉耦合濾波器n中心頻率：7.5GHzn帶寛：25MHzn腔體Q值：4000n

14、反射損耗：-20dB01.02090000000.856900.2167000.856900.784900000.784900.8569000.216700.856901.0209000000M串聯(lián)諧振等效電路模型串聯(lián)諧振等效電路模型n電路模型C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuC=C4L=L4R=QuEE=90degF=FZ=1/(m01*Sqrt(bwf)EE=90degF=FZ=1/(m12*bwf)EE=90degF=FZ=1/(m23*bwf)EE=90degF=FZ=1/(m34*bwf)EE=90degF=FZ=1/(m01*Sqrt(bwf)

15、EE=90degF=FZ=1/(m14*bwf)VV1VV2VV3VV4計算結(jié)果計算結(jié)果nS參數(shù)：計算結(jié)果計算結(jié)果n群時延計算結(jié)果計算結(jié)果n腔體儲能212iiWCV更多的計算實例更多的計算實例 例一、例一、 3腔濾波器的優(yōu)化腔濾波器的優(yōu)化倪大寧，“源-負載耦合交叉耦合濾波器綜合與設(shè)計”，西安電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2019.1綜合以后的結(jié)果綜合以后的結(jié)果存在的問題存在的問題n工作帶寬有一點偏；n綜合以前對帶外的抑制特性不太明確；n綜合產(chǎn)生的耦合系數(shù)在物理上能否實現(xiàn)不了解；n綜合的結(jié)果不一定是唯一的。n因而，需要用優(yōu)化方法對綜合以后的結(jié)果進行篩選和修正。優(yōu)化前后的比較優(yōu)化前后的比較優(yōu)化后的結(jié)

16、果優(yōu)化前的結(jié)果新的耦合矩陣新的耦合矩陣01.186600.10290.02251.18660.05620.99980.54760.139000.99980.46011.222100.10290.54761.22210.27891.19850.02250.139001.19850M新矩陣新矩陣舊矩陣舊矩陣化簡拓撲結(jié)構(gòu)化簡拓撲結(jié)構(gòu)Port1Port2C=C1L=L1R=QuKP=lamped/4Z=1/(M23*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(Ms1*Sqrt(bwf)KZ=1/(M3L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M12*(bwf)C=C2L=L2R=QuC=C3

17、L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/MsLKP=lamped/4Z=1/(M13*(bwf)新的耦合矩陣新的耦合矩陣01.1952000.01391.19520.1449 1.10980.5429001.10980.45461.0746000.5429 1.07460.1803 1.15420.0225001.15420M23M1sM34M13M3LMsLM源負載優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化結(jié)果例二、包含源與負載耦合的例子例二、包含源與負載耦合的例子nSmain Amari，“Adaptive Synthesis and Design of Resonator Filters With Source

18、/Load-Multiresonator Coupling”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 8, AUGUST 2019， P 1696-1978中心頻率：26.453GHz; 帶寬：41MHz零點頻率：f1=26.323GHz; f2=26.524GHz; f1=26.607GHz; 資料的仿真結(jié)果資料的仿真結(jié)果Designer的仿真結(jié)果的仿真結(jié)果0Port1Port2C=C1L=L1R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(m12*bwf)KP=lamped/4Z=

19、1/(mSL)KP=lamped/4Z=sqrt(Qi)KP=lamped/4Z=sqrt(Qo)C=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(m23*bwf)KP=lamped/4Z=1/(m13*bwf)KP=lamped/4Z=1/(mS3*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(mL1*Sqrt(bwf)例三、帶阻濾波器的例子例三、帶阻濾波器的例子（同軸線連接）（同軸線連接）nRichard J. Cameron, Ying Wang and Ming Yu， “Direct-Coupled Realizations for Microwave Bandstop F

20、ilters”，2019計算結(jié)果計算結(jié)果例四、帶抑制諧振器的濾波器例四、帶抑制諧振器的濾波器文獻結(jié)果文獻結(jié)果計算結(jié)果計算結(jié)果例五、含非諧振結(jié)點的濾波器電路仿真例五、含非諧振結(jié)點的濾波器電路仿真n把非諧振節(jié)點應(yīng)用在濾波器設(shè)計中是Amari等人在2019年提出的。n在不存在源與負載耦合的條件下，也可以實現(xiàn)最大數(shù)量為N的有限頻率傳輸零點。n這種結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)得益于推出了它的電路模型。一個一個Combline Filter的例子的例子Smain Amari, “Synthesis of Inline Filters With Arbitrarily Placed Attenuation Poles by

21、Using Nonresonating Nodes”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 10, OCTOBER 2019， P3075-3081資料給出的參數(shù)資料給出的參數(shù)含非諧振結(jié)點的電路模型含非諧振結(jié)點的電路模型Smain Amari,” New Building Blocks for Modular Design of Elliptic and Self-Equalized Filters”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNI

22、QUES, VOL. 52, NO. 2, FEBRUARY 2019，P 721-736計算結(jié)果計算結(jié)果仿真電路圖仿真電路圖n非諧振節(jié)點不含電抗分量仿真結(jié)果仿真結(jié)果nS參數(shù)仿真結(jié)果仿真結(jié)果n群時延仿真結(jié)果仿真結(jié)果n各個腔體的儲能例六、含高階諧振器的濾波器仿真例六、含高階諧振器的濾波器仿真n這個概念是Amari在2019年提出的。n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。反之，在高通帶，低階腔體可作為高階腔體的非諧振節(jié)點。例六、含高階諧振器的濾波器仿真例六、含高階諧振器的濾波器仿真nMarjan Mokhtaari, Jens Bornemann and Sm

23、ain Amari，“Advanced Filter Design Using Cross-CoupledNetworks With Higher-Order Resonances”， in Proc., 35th Eur.Microw. Conf.,Paris, France, Oct. 2019, P1423-1426拓撲結(jié)構(gòu)和耦合矩陣拓撲結(jié)構(gòu)和耦合矩陣仿真電路仿真電路0000Port1Port2C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuC=C4L=L4R=QuEZ=1/(M_S1*Sqrt(bwf)EZ=1/(M_23*(bwf)EZ=1/(M_43*(bw

24、f)EZ=1/(M_3L*Sqrt(bwf)EZ=1/(M_13*(bwf)EZ=1/(M_12*(bwf)EZ=1/(M_S4*Sqrt(bwf)EZ=1/(M_42*(bwf)VV4VV1VV2VV3S參數(shù)仿真結(jié)果參數(shù)仿真結(jié)果仿真結(jié)果仿真結(jié)果n各個腔體的儲能仿真結(jié)果仿真結(jié)果n各個腔體的儲能仿真結(jié)果仿真結(jié)果n群時延例七、箱形濾波器的等效電路例七、箱形濾波器的等效電路Richard J. Cameron, “Advanced Coupling Matrix Synthesis Richard J. Cameron, “Advanced Coupling Matrix Synthesis Tec

25、hniquesTechniquesfor Microwave Filters”for Microwave Filters”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2019 1THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2019 1， p1- p1-1010仿真電路仿真電路00Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(M_23*(bwf)C=C2L=L2R=

26、QuC=C4L=L4R=QuC=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_34*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_S2*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_5L*Sqrt(bwf)C=C5L=L5R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_45*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_25*(bwf)C=C1L=L1R=QuC=C6L=L6R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_S1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_6L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_16*(bwf)VV1VV6VV3VV4VV

27、5VV2仿真結(jié)果仿真結(jié)果nS參數(shù)仿真結(jié)果仿真結(jié)果n各個腔體儲能仿真結(jié)果仿真結(jié)果n群時延另外一個箱形濾波器的例子另外一個箱形濾波器的例子資料上計算結(jié)果資料上計算結(jié)果濾波器等效電路濾波器等效電路000000Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(M_25*(bwf)C=C2L=L2R=QuC=C4L=L4R=QuC=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_34*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_S2*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_5L*Sqrt(bwf)C=C5L=L5R=QuC=C1L=L1R=QuC=C6L=L6R=QuKP=la

28、mped/4Z=1/(M_S1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_6L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_16*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_4L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_S3*Sqrt(bwf)VV3VV4VV2VV5VV1VV6仿真結(jié)果仿真結(jié)果nS參數(shù)仿真結(jié)果仿真結(jié)果n各個腔體儲能仿真結(jié)果仿真結(jié)果n群時延例八、異形結(jié)構(gòu)濾波器例八、異形結(jié)構(gòu)濾波器資料的計算結(jié)果資料的計算結(jié)果濾波器等效電路濾波器等效電路0000000Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(M_23*(bwf)C=C2L=L2R=Q

29、uC=C4L=L4R=QuC=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_7L*Sqrt(bwf)C=C5L=L5R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_45*(bwf)C=C1L=L1R=QuC=C6L=L6R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_S1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_12*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_56*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_67*(bwf)C=C7L=L7R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_16*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_27*(bwf)VV1VV2VV3VV

30、4VV5VV6VV7仿真結(jié)果仿真結(jié)果nS參數(shù)仿真結(jié)果仿真結(jié)果n各個腔體儲能仿真結(jié)果仿真結(jié)果n群時延例九、串行與并行電路的比較例九、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 TECHNIQUES, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2019， P1139-1152S參數(shù)結(jié)果完全相同，損耗也相同。參數(shù)結(jié)果完全相同，損耗也相同。兩種結(jié)構(gòu)的群時延也相同兩種結(jié)構(gòu)的群時延也相同n群時延但是，腔