《現(xiàn)代微波電路和器件設(shè)計(jì)》課件4、波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

1、現(xiàn)代微波電路和器件設(shè)計(jì)4、波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)蘇 濤2008年春波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)波導(dǎo)濾波器概述波導(dǎo)濾波器形式設(shè)計(jì)思想和CAD方法設(shè)計(jì)實(shí)例、波導(dǎo)濾波器概述波導(dǎo)濾波器是傳輸線濾波器的一種。波導(dǎo)濾波器的特點(diǎn)：低插耗、高功率容量一般的，波導(dǎo)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(yīng)的集總參數(shù)元件和電路：波導(dǎo)不連續(xù)結(jié)構(gòu)提供等效電抗；傳輸線段等效諧振腔等。波導(dǎo)濾波器的模式問(wèn)題：TE10波導(dǎo)濾波器的性能是兩端口TE10之間的波導(dǎo)不連續(xù)性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高次模高次模對(duì)于主模TE10的作用相當(dāng)于一個(gè)電抗。高次模時(shí)衰減的，而且衰減很快，所以是局部的。 不均性中高次模對(duì)于主模相當(dāng)于jB波導(dǎo)帶通濾波器、波導(dǎo)濾波器形式對(duì)稱膜

2、片 Symmetrical Diaphragm縱向/橫向條帶 Longitudinal/Transverse strips方柱/圓柱 Square/Circular Posts、設(shè)計(jì)思想和方法設(shè)計(jì)思想等效電路設(shè)計(jì)步驟波導(dǎo)帶通濾波器具有多種形式；共同點(diǎn) 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(dǎo)濾波器的通用CAD設(shè)計(jì)；模式匹配；FDTD HFSS；CST；IE3D復(fù)雜結(jié)構(gòu)全波仿真和多變量?jī)?yōu)化費(fèi)時(shí)費(fèi)力；設(shè)計(jì)思想：電路綜合理論和HFSS仿真相結(jié)合port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1s

3、ymmetryboundaryBrian Gray, Ansoft, ”External Optimization Using Ansoft HFSS”, AB053-9905, May 1999.Michael Brenneman, Ansoft, ”AnsoftHFSS V7: OptimetricsTM Case Studies of Optimization and Parametrics”, 1999 HFSS User Workshop設(shè)計(jì)優(yōu)化變量太多 仿真計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，內(nèi)存需求大 可能得到非最優(yōu)結(jié)果port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2w

4、idth1length1length2length2length1symmetryboundary原型濾波器(等效電路)waveguide filter(HFSS)S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957等效電路說(shuō)明：具有倒置阻抗變換器的半波濾波器低通原型 帶通（或其他）Butterworth低通濾波器原型Chebyshev低通濾波器原型低通到帶通變換后，帶通原理電路，在微波中不易實(shí)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微波濾波器常用結(jié)構(gòu)，阻抗變換器級(jí)

5、聯(lián)串聯(lián)諧振。變換器和并聯(lián)諧振回路類同。 K 阻抗變換器或者變換的路徑如下：階梯到單一元件低通低通到帶通說(shuō)明：變換器 1/4波長(zhǎng)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)電納 0圓波導(dǎo)膜片和等效電路說(shuō)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一段開路傳輸線或者短路傳輸線作為諧振器。說(shuō)明4：濾波器分析和綜合響應(yīng)電路綜合分析 特定電路階梯LCJ/K變換器 非唯一設(shè)計(jì)步驟port 2port 1a/2bwidth1width2width3width2width1length1length2length2length1symmetr

6、yboundaryStep-by-step procedure- optimization of one dimension in each step耦合膜片設(shè)計(jì)傳輸線段設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟1、由濾波器指標(biāo)得到原型電路：得到K變換器的值；2、膜片尺寸設(shè)計(jì)（耦合設(shè)計(jì)）：使用HFSS優(yōu)化膜片尺寸，得到要求的K變換器的值對(duì)應(yīng)膜片的尺寸；3、傳輸線尺寸設(shè)計(jì)（諧振器設(shè)計(jì)）：得到各傳輸線段的長(zhǎng)度優(yōu)點(diǎn)： 每一步僅僅有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)仿真，速度快； 每一步僅僅有一個(gè)優(yōu)化變量，收斂快速； 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(fù)的傳輸線，半波長(zhǎng)的諧振腔吸收負(fù)的傳輸線 但是，對(duì)于某些形狀的膜

7、片解析分析是困難的和近似的。說(shuō)明1：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與CAD設(shè)計(jì)說(shuō)明2：結(jié)構(gòu)、等效電路和模式、場(chǎng) 結(jié)構(gòu)就是元件，就是電路 深層次的原因在于場(chǎng)分布 模式不同場(chǎng)不同，等效不同 前面等效電路已有論述？如果兩個(gè)膜片非常近，是否任然可以分解為單個(gè)膜片加傳輸線段的電路 高次模對(duì)于主模TE10的作用相當(dāng)于一個(gè)電抗。高次模時(shí)衰減的，而且衰減很快，所以是局部的。 相鄰兩個(gè)膜片較遠(yuǎn)時(shí)，一個(gè)的高次模無(wú)法到達(dá)另一個(gè)膜片，各自的影響是獨(dú)立的；兩個(gè)膜片模型是相同的，都是TE10激勵(lì)，高次模電抗影響； 相鄰兩個(gè)膜片較近時(shí)，一個(gè)的高次模會(huì)受到另一個(gè)的影響，兩者是互相影響的；此時(shí)不能把相鄰膜片分成兩個(gè)單獨(dú)的膜片處理，要考慮高次模的耦合

8、。4、設(shè)計(jì)實(shí)例Design Requirementsf0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHzWR62f0 BW IL RL*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992Example:f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz6th or

9、der Chebychev filterprototype elementsg0 = 1.0000g1 = 0.8836g2 = 1.3966g3 = 1.7894g4 = 1.5528g5 = 1.6095g6 = 0.7667g7 = 1.1524（1a）由指標(biāo)得到低通原型電路1、濾波器原型電路設(shè)計(jì)Example:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=0.0032（1b）電路變換，得到K變換器的值2、耦合設(shè)計(jì)Coupling S21 (dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diameteroff

10、setd1 = 2.50 mmdo1 = 3.845mmd2 = 3.50 mmdo2 = 3.135 mmd3 = 3.50 mmdo3 = 2.960 mmd4 = 3.50 mmdo4 = 2.972 mmd5 = 3.50 mmdo5 = 2.960 mmd6 = 3.50 mmdo6 = 3.135 mmd7 = 2.50 mmdo7 = 3.845 mmWR62波導(dǎo)：15.799mm*7.899mm與文獻(xiàn)有差別！（PEC與有耗材料設(shè)置？計(jì)算精度？）3、傳輸線段設(shè)計(jì)Denne figuren er IKKE for frste resonatorresonator lengthl1

11、= 10.839 mml2 = 11.346 mml3 = 11.395 mml4 = 11.395 mml5 = 11.346 mml6 = 10.839 mm12 最后，可以建立濾波器模型，進(jìn)行全部結(jié)構(gòu)的仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果。在部分設(shè)計(jì)中，這一步是必須的，總體結(jié)果需要通盤考慮和進(jìn)一步的修正。波導(dǎo)濾波器響應(yīng)曲線帶有圓角的電感膜片濾波器Design procedure:M. Guglielmi, Simple CAD procedure for microwave filters and multiplexers, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol 4