現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座波導(dǎo)濾波器設(shè)計

現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座波導(dǎo)濾波器設(shè)計第1頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一波導(dǎo)濾波器概述波導(dǎo)濾波器具有插入損耗低、功率容量大和容易批量生產(chǎn)的特點；波導(dǎo)濾波器的工作頻率可以達(dá)到毫米波波段。主要用于衛(wèi)星通訊、電子對抗和雷達(dá)系統(tǒng)。波導(dǎo)濾波器有以下幾種類型：直接耦合波導(dǎo)濾波器；交叉耦合波導(dǎo)濾波器；帶抑制諧振器的波導(dǎo)濾波器；使用非諧振結(jié)點的波導(dǎo)濾波器；使用過模諧振器的波導(dǎo)濾波器；凋落模波導(dǎo)濾波器；第2頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一腔體級聯(lián)耦合波導(dǎo)濾波器第3頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一對稱膜片縱向條帶方柱橫向條帶圓柱矩形波導(dǎo)濾波器常見類型第4頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一波導(dǎo)濾波器設(shè)計舉例設(shè)計參數(shù)：f0=15.35GHzBW=32MHzS11<-20dBS21<-40dB@f0±40MHz濾波器從14.9到15.35GHz連續(xù)可調(diào)BJ-140波導(dǎo)技術(shù)參數(shù)：a=15.8mm;b=7.9mm;工作頻率范圍：11.9~18GHz第5頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一濾波器原型1a) Obtainlow-passprototypeparameters(gi)fromfilterspecifications(seee.g.Matthaei*)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第6頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一帶K變換器濾波器模型1b)

CalculateK-inverters(band-passprototypeparameters)Example:K′01=0.0775K′12=0.0048K′23=0.0034K′34=0.0032第7頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一K變換器的S參數(shù)在濾波器中心工作頻率第8頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一K變換器計算模型利用對稱面可以簡化模型；計算K值；計算附加相移；第9頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)化耦合系數(shù)Forallcouplings:OptimizecouplingtogivetherightK-invertervalueatthecenterfrequencyCoupling 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 第10頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)化諧振腔長度Forallresonators:calculateresonatorlength,finetuneuntilthestructureresonatesatthecenterfrequencyDennefigurenerIKKEforf?rsteresonatorresonatorlength l1=10.839mm l2=11.346mm l3=11.395mm l4=11.395mm l5=11.346mm l6=10.839mm

第11頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一濾波器測試結(jié)果Designedat15.35GHzTunablefrom14.9to15.35GHzMeasuredat15.32GHz第12頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一datacenteredonf0仿真與測試結(jié)果比較第13頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一利用周期結(jié)構(gòu)提高帶外抑制第14頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一利用EBG結(jié)構(gòu)縮短波導(dǎo)濾波器長度第15頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一利用交叉耦合產(chǎn)生傳輸零點第16頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一波導(dǎo)交叉耦合濾波器的特點受到幾何結(jié)構(gòu)的限制波導(dǎo)交叉耦合濾波器多數(shù)采用對稱結(jié)構(gòu)。ERDEMOFLI,“ANALYSISANDDESIGNOFMICROWAVEAND

MILLIMETER-WAVEFILTERSANDDIPLEXERS”,SWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGYZURICH,DoctoralThesisETHNo.15771第17頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一E平面金屬插片交叉耦合濾波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第18頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一四腔交叉耦合濾波器returnlossis20dBcenterfrequency11.55GHzbandwidthof200MHz第19頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一仿真計算結(jié)果其中，虛線是無交叉耦合的仿真結(jié)果。實線是有交叉耦合的結(jié)果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模第20頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Ka波段四腔交叉耦合濾波器設(shè)計f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第21頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一仿真計算結(jié)果其中，虛線是無交叉耦合的仿真結(jié)果。實線是有交叉耦合的結(jié)果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模第22頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一實際制作的Ka波段交叉耦合濾波器為了測試實際制作的濾波器增加了彎波導(dǎo)段第23頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Ka波段交叉耦合濾波器測試結(jié)果圖中，MMT是模式匹配法；Meas是測試結(jié)果第24頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)生非對稱零點的四腔濾波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB第25頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非對稱零點四腔濾波器仿真結(jié)果f0=30.25GHz,BW=500MHz；RL=20dB第26頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一源與負(fù)載直接耦合使用源與負(fù)載直接耦合可以提高濾波器性能，但源與負(fù)載之間的耦合孔要求更高的加工精度。第27頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一包含源與負(fù)載直接耦合的2腔濾波器第28頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一仿真結(jié)果其中，虛線是無源與負(fù)載耦合的仿真結(jié)果。實線是有源與負(fù)載耦合的結(jié)果。第29頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點第30頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點在1980年R.J.Cameron提出了使用抑制諧振器（RejectionResonator）產(chǎn)生濾波器傳輸零點的方法。這項技術(shù)除了應(yīng)用于波導(dǎo)濾波器以外，還被用于梳狀結(jié)構(gòu)濾波器和介質(zhì)濾波器等結(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計。這項技術(shù)也被稱作零腔技術(shù)。由于使用這種方法產(chǎn)生的零點，只與抑制諧振器和相關(guān)的耦合結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此傳輸零點的設(shè)計比較靈活。J.D.RhodesandR.J.Cameron,“Generalextractedpolesynthesistechniquewithapplicationtolow-lossTE-modefilters,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.MTT-28,pp.1018–1028,Sept.1980.第31頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點的原理在傳輸回路中連接分支電路，分支電路的一端連接一個（或數(shù)個）專門產(chǎn)生傳輸極點的諧振器。這些諧振器被稱作抑制諧振器。第32頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一采用抑制諧振器的等效電路Amari,“SynthesisandDesignofNovelIn-LineFilters

WithOneorTwoRealTransmissionZeros”，IEEETRANS.ONMTT,VOL.52,NO.5,MAY2004,1464-1478第33頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用1個抑制諧振器的3階濾波器第34頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用2個抑制諧振器的3階濾波器第35頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用抑制諧振器的濾波器結(jié)構(gòu)第36頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一三階濾波器零點高于中心頻率第37頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一三階濾波器零點低于中心頻率第38頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一T.Sieverding

設(shè)計的濾波器T.SieverdingandF.Arndt,“FieldtheoreticCADofopenoraperturematchedTjunctioncoupledrectangularwaveguidestructures,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.40,no.2,pp.353–362,1992.第39頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一二階濾波器具有2個零點R.Montejo-Garai,“SynthesisandDesignofIn-LineN-OrderFiltersWith

NRealTransmissionZerosbyMeansofExtracted

PolesImplementedinLow-CostRectangular

H-PlaneWaveguide”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.5,MAY20051636-1642第40頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一三階濾波器具有1個零點第41頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一四階濾波器具有2個零點第42頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一八階濾波器具有2個零點第43頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用抑制諧振器設(shè)計雙工器的實例技術(shù)要求：第44頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低通帶和高通帶使用同一結(jié)構(gòu)。第45頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一上通帶濾波器綜合曲線第46頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一雙工器整體結(jié)構(gòu)第47頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一雙工器仿真結(jié)果和測試結(jié)果仿真曲線測試曲線第48頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一利用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點第49頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一利用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點SmainAmari在2004年把非諧振節(jié)（Non-ResonatorNode）點引入濾波器設(shè)計。并在其后發(fā)表了多篇論文介紹引入非諧振節(jié)點后傳輸矩陣的推導(dǎo)方法。使用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點具有結(jié)構(gòu)簡單，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)的特點。引入非諧振節(jié)點后N個諧振器可以實現(xiàn)N個傳輸零點。而不必引入源與負(fù)載耦合。使用非諧振節(jié)點可以很容易地把多個濾波網(wǎng)絡(luò)組合在一起。不會影響各個網(wǎng)絡(luò)的濾波特性。

SmainAmari,UweRosenberg,,andJensBornemann,“Singlets,CascadedSinglets,andtheNonresonatingNodeModelforAdvancedModularDesignofEllipticFilters”，IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.14,NO.5,MAY2004，237-239第50頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點的原理單諧振腔產(chǎn)生傳輸零點的基本電路第51頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點的原理用非諧振節(jié)點把單諧振腔連接起來，可以保持原來的傳輸零點和濾波特性。第52頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用非諧振節(jié)點濾波器低通模型Amari,“In-linePseudoellipticBand-RejectFiltersWith

NonresonatingNodesand/orPhaseShifts”,IEEETRANSONMTT,VOL.54,NO.1,JANUARY2006,428-436第53頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用非諧振節(jié)點的3階濾波器結(jié)構(gòu)第54頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用非諧振節(jié)點的3階濾波器測試結(jié)果第55頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一用非諧振節(jié)點產(chǎn)生傳輸零點例子S.Cogollos,“SynthesisandDesignProcedureforHighPerformanceWaveguide

FiltersBasedonNonresonatingNodes”，MicrowaveSymposium,2007.IEEE/MTT-SInternational

3-8,June2007Page(s):1297-1300第56頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一6階單腔3模濾波器第57頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一6階單腔3模濾波器測試結(jié)果Amari,“NewIn-LineDual-andTriple-ModeCavity

FiltersWithNonresonatingNodes”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.4,APRIL2005,1272-1279第58頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點第59頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一概述利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點的技術(shù)最早在2001年由MarcoGuglielmi提出。產(chǎn)生傳輸零點的過模腔體有多種結(jié)構(gòu)。既有使用非簡并模式的過模波導(dǎo)濾波器，也有使用簡并模式的過模波導(dǎo)濾波器。利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點具有結(jié)構(gòu)簡單，容易加工的特點。在毫米波波段，具有很好的發(fā)展前景。

M.Guglielmi,P.Jarry,E.Kerherve,O.Roquebrun,andD.Schmitt,“Anewfamilyofall-inductivedual-modefilters,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.49,no.10,pp.1764–1769,Oct.2001.第60頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非簡并模式過模濾波器模型Bornemann,J.;Amari,S.;Vahldieck,R.;“AflexibleS-matrixalgorithmforthedesignoffoldedwaveguidefilters”，MicrowaveConference,2005European

Volume1,

4-6Oct.2005Page(s):4pp.

第61頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非簡并模過模濾波器單元等效電路非簡并模過模濾波器單元電路可以等效成下面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在2次模對應(yīng)的頻率，產(chǎn)生傳輸零點的條件是與符號相反。第62頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一耦合量與耦合孔位置的關(guān)系

基模第63頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一耦合量與耦合孔位置的關(guān)系

2次模第64頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一耦合量與耦合孔位置的關(guān)系

3次模第65頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非簡并模過模濾波器單元等效電路當(dāng)開口位置靠近1/3處時，對3次模的耦合很小，可以忽略。傳輸零點位于高端。第66頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非簡并模過模濾波器單元等效電路當(dāng)開口位置靠近邊緣處時，對基模的耦合較小小，可以忽略。傳輸零點位于低端。第67頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一非簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點在E面插片波導(dǎo)中，利用過模諧振器也可以產(chǎn)生傳輸零點。第68頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Q波段4腔濾波器Fig.4.7(a),f0=38.80GHz,BW=500MHzandRL=23dB

Fig.4.7(b),f0=39.50GHz,BW=500MHzandRL=23dB

第69頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Q波段4腔濾波器仿真結(jié)果Q波段4腔濾波器仿真結(jié)果第70頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一過模腔體E平面插片濾波器實物照片使用過模腔體的E平面插片濾波器實物照片第71頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Q波段4腔濾波器測試結(jié)果第72頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一膜片耦合過模腔體濾波器第73頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一幾種E面膜片耦合過模濾波器結(jié)構(gòu)第74頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Ku波段濾波器設(shè)計實例實物照片測試結(jié)果第75頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一使用多個過模腔體的波導(dǎo)濾波器第76頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點的原理過模諧振器可以等效成下面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第77頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Designer仿真結(jié)果（1）耦合矩陣第78頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一Designer仿真結(jié)果（2）耦合矩陣第79頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一簡并過模諧振腔的耦合第80頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一矩形波導(dǎo)簡并模的基本理論根據(jù)矩形波導(dǎo)諧振腔的基本理論，先假定和工作在同一個頻率，即：其中：a和d分別表示諧振腔的長度和寬度，可以得到：根據(jù)矩形波導(dǎo)諧振頻率的計算公式，可以得到：如果和模，很容易得到：第81頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一簡并模過模濾波器特性曲線TE102模和TE201模簡并第82頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一簡并模腔體的濾波特性曲線TE102和TE301簡并第83頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一兩級簡并模過模濾波器兩級簡并模濾波器級聯(lián)第84頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一兩級簡并模過模濾波器仿真和測試結(jié)果第85頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一腔體加介質(zhì)塊的過模濾波器通過在腔體中添加介質(zhì)塊降低簡并模腔體的體積。第86頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一簡并模腔體中的模式圖第87頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一簡并模濾波器的仿真和測試結(jié)果第88頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模濾波器第89頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模（凋落模）濾波器消失模濾波器是指那些由截止波導(dǎo)構(gòu)造的濾波器。由于在正常狀態(tài)下這些波導(dǎo)中的波導(dǎo)模式不能傳播，所以，被稱為消失模（或凋落模）。消失模波導(dǎo)濾波器具有體積小、無載Q值高、阻帶對高次諧波抑制好的特點。因此，受到微波工程師的重視。消失模濾波器的研究始于上世紀(jì)70年代。關(guān)于消失模濾波器的設(shè)計方法有很多種，常見的設(shè)計方法都是以場分析方法為基礎(chǔ)。消失模濾波器有切比雪夫型、橢圓函數(shù)型等。第90頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模（凋落模）濾波器通常，消失模濾波器的工作頻率范圍100MHz-40GHz。帶寛1%-80%第91頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模濾波器的類型第92頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模濾波器的類型第93頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模濾波器的基本分析方法消失模濾波器設(shè)計方法與常規(guī)濾波器的設(shè)計方法類似。第94頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一消失模濾波器設(shè)計實例P.Soto，“EfficientAnalysisandDesignStrategiesforEvanescentModeRidgeWaveguideFilters”Proceedingsofthe36thEuropeanMicrowaveConference，第95頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一仿真和測試結(jié)果第96頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一帶中心脊的消失模波導(dǎo)濾波器VicenteE.Boria，“WaveguideFiltersforSatellites”，IEEEMicrowaveMagazinOct.2007,61-70第97頁，共119頁，2023年，2月20日，星期一帶中心脊的消失模波導(dǎo)濾波器S曲線

第98頁，共1