現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座(2-2濾波器設(shè)計實例)

現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座(2_2濾波器設(shè)計實例)第一頁，共72頁。濾波器技術(shù)參數(shù)濾波器要求的技術(shù)參數(shù)；中心頻率；400MHz；帶寬：12MHz；插入損耗：小于1dB帶內(nèi)波動：小于0.5dB群時延：小于150納秒帶外抑制度：偏離中心頻率15MHz；大于40dB；功率容量：平均功率大于200W工作溫度：-45～80攝氏度第二頁，共72頁。1、利用仿真軟件作出初始設(shè)計第三頁，共72頁。確定設(shè)計參數(shù)用戶提出的帶寛、帶內(nèi)插損和帶外隔離等技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計指標(biāo)不同。受溫度漂移、擊穿功率和群時延等技術(shù)指標(biāo)的限制，濾波器設(shè)計的工作帶寛要比用戶要求的帶寛寬一些。通常，設(shè)計帶寛比用戶要求大20%左右。設(shè)計時，濾波器插損、隔離、擊穿功率和群時延等要比用戶要求高一些。第四頁，共72頁。6階切比雪夫濾波器耦合矩陣輸入中心頻率；帶寛等參數(shù)第五頁，共72頁。6階切比雪夫濾波器計算結(jié)果6階切比雪夫濾波器的儲能、群時延和S參數(shù)第六頁，共72頁。6階交叉耦合濾波器耦合矩陣輸入中心頻率；帶寛等參數(shù)第七頁，共72頁。6階交叉耦合濾波器計算結(jié)果6階交叉耦合濾波器的儲能、群時延和S參數(shù)第八頁，共72頁。7階切比雪夫濾波器耦合矩陣輸入中心頻率；帶寛等參數(shù)第九頁，共72頁。7階切比雪夫濾波器計算結(jié)果7階切比雪夫濾波器的儲能、群時延和S參數(shù)第十頁，共72頁。8階切比雪夫濾波器耦合矩陣輸入中心頻率；帶寛等參數(shù)第十一頁，共72頁。8階切比雪夫濾波器計算結(jié)果8階切比雪夫濾波器的儲能、群時延和S參數(shù)第十二頁，共72頁。幾種濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較6階切比雪夫8階切比雪夫6階交叉耦合7階切比雪夫第十三頁，共72頁。小結(jié)根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，考慮到溫度對濾波器特性的影響。我們初步把濾波器的階數(shù)確定為6階交叉耦合或7階切比雪夫。與交叉耦合濾波器相比，切比雪夫濾波器結(jié)構(gòu)簡單，工程上容易實現(xiàn)。如果濾波器體積和造價允許，我們將首選7階切比雪夫。因此，綜合考慮溫度對濾波器特性的影響和拓?fù)錂C(jī)構(gòu)三維實現(xiàn)的方便程度后，我們確定濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為7階切比雪夫濾波器。第十四頁，共72頁。7階切比雪夫濾波器的技術(shù)數(shù)據(jù)所有諧振腔的諧振頻率都是400MHz腔體間的耦合系數(shù)和輸入/輸出腔的有載品質(zhì)因數(shù)如下表所示。第十五頁，共72頁。7階切比雪夫濾波器等效電路參數(shù)第十六頁，共72頁。2、確定濾波器使用的腔體第十七頁，共72頁。確定合適的腔體結(jié)構(gòu)第十八頁，共72頁。諧振腔設(shè)計初始考慮由于，該濾波器工作頻率較低，同時要求的功率容量又比較大，所以考慮使用梳狀結(jié)構(gòu)腔體。梳狀結(jié)構(gòu)腔體的諧振頻率主要由諧振桿的長度和加載電容的大小決定。如果，加載電容不大，諧振桿的初始長度定為略小于1/2波長。加載較重，長度可定為1/4波長或更短。梳狀結(jié)構(gòu)腔體的大小和桿的粗細(xì)主要影響腔體Q值?？筛鶕?jù)諧振桿的尺寸適當(dāng)選擇腔體尺寸和諧振桿其它尺寸的初值。第十九頁，共72頁。通過仿真模型應(yīng)得到的信息通過單腔仿真應(yīng)該獲得如下信息：工作模式的諧振頻率；通過計算與工作模式相鄰模式的頻率，確定寄生通帶的大概位置；通過計算腔體Q值，確定濾波器的插損；通過計算腔體內(nèi)的場分布，確定濾波器電場最大點的位置和場強(qiáng)；仿真模型要模擬濾波器工作狀態(tài)腔體的損耗和高次模。所以，腔體不能簡化。第二十頁，共72頁。建立中間腔體計算模型A=30mmB=60mmC=120mmR1=5mmR2=6mmR3=8mmL=114.5mmH=15mm模型中金屬材料設(shè)為銀。模型中除兩側(cè)外，邊界設(shè)為有耗材料（金屬v銀）。第二十一頁，共72頁。計算結(jié)果1、確定腔體Q0值；2、確定中間腔體的幾何尺寸高次諧波頻率大于14GHz第二十二頁，共72頁。3、設(shè)計腔體間耦合結(jié)構(gòu)第二十三頁，共72頁。腔體間的耦合結(jié)構(gòu)腔體間耦合結(jié)構(gòu)的類型有兩種類型。電耦合；磁耦合；第二十四頁，共72頁。

在對稱面上分別設(shè)置為完全導(dǎo)電面(PEW)和完全導(dǎo)磁面(PMW)，在HFSS中用本征模求解器，得到的本征頻率分別對應(yīng)和，耦合系數(shù)的?？梢杂孟旅娴墓接嬎恪ｑ詈舷禂?shù)--電壁/磁壁法

對于對稱耦合諧振器的情況，兩個諧振器頻率完全相同，這樣可以將耦合諧振器從對稱面劈開，如右圖所示。、K為正表示磁耦合；K為負(fù)表示電耦合。第二十五頁，共72頁。

而如果兩個諧振器是非對稱的，同樣也可以采用相同的方法，將兩諧振器從中間劈開，這時每一個諧振器在對稱面上分別設(shè)置完全導(dǎo)電面(PEW)和完全導(dǎo)磁面(PMW)，這時將得到四個本征頻率，和這樣，非對稱耦合結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)為耦合系數(shù)--電壁/磁壁法、K為正表示磁耦合；K為負(fù)表示電耦合。第二十六頁，共72頁。感性膜片耦合PerfectEPerfectH第二十七頁，共72頁。容性膜片耦合PerfectEPerfectH第二十八頁，共72頁。耦合系數(shù)—雙模提取法

前面的分析是分別提取兩個頻率和，而對于耦合諧振器對，不管是對稱結(jié)構(gòu)的還是非對稱結(jié)構(gòu)的，也可以利用雙模法提取兩個模式之間的耦合系數(shù)。假設(shè)，諧振器1和諧振器2單獨存在時的頻率為

和。在兩個諧振器產(chǎn)生耦合時，諧振器1和諧振器2的頻率分別變?yōu)?/p>

和。則兩個腔體的耦合系數(shù)計算公式為：K為正表示磁耦合；K為負(fù)表示電耦合。第二十九頁，共72頁。耦合系數(shù)—雙模提取法

如果，諧振器耦合前的諧振頻率相同，即：

諧振器耦合系數(shù)的計算公式簡化為：

在耦合諧振器對同時存在的情況下，利用HFSS的本征模解算器，設(shè)置兩個本征頻率，這樣一次性提取出兩個頻率。K為正表示磁耦合；K為負(fù)表示電耦合。第三十頁，共72頁。耦合系數(shù)極性的判定（1）計算公式：其中，

是對稱面為電壁時的諧振頻率；是對稱面為磁壁時的諧振頻率；對稱面為電壁對稱面為磁壁對稱面第三十一頁，共72頁。感性膜片耦合通過對稱面上的磁場判斷電壁/磁壁Mode1對稱面磁場只有法向分量---磁壁對稱面磁場只有切向分量---電壁Mode2第三十二頁，共72頁。容性膜片耦合通過對稱面上的磁場判斷電壁/磁壁Mode1對稱面磁場只有法向分量---磁壁對稱面磁場只有切向分量---電壁Mode2第三十三頁，共72頁。電場奇對稱電場偶對稱耦合系數(shù)極性的判定（2）計算公式：其中，

電場沿對稱面奇對稱時的諧振頻率；電場沿對稱面偶對稱時的諧振頻率；對稱面對稱面第三十四頁，共72頁。感性膜片耦合通過對稱面上的磁場判斷電壁/磁壁Mode1電場偶對稱電場奇對稱Mode2第三十五頁，共72頁。容性膜片耦合通過對稱面上的磁場判斷電壁/磁壁Mode1Mode2電場偶對稱電場奇對稱第三十六頁，共72頁。梳狀腔的耦合結(jié)構(gòu)有五種基本類型：空間耦合；膜片耦合；探針耦合；耦合環(huán)耦合；直接耦合梳狀濾波器腔體間耦合的基本結(jié)構(gòu)第三十七頁，共72頁?？臻g耦合空間耦合的特點：磁耦合；功率容量大；不產(chǎn)生額外的高次諧波；耦合量可調(diào)諧性差；耦合結(jié)構(gòu)占空間大；耦合量較??；第三十八頁，共72頁。耦合系數(shù)變化曲線第三十九頁，共72頁。中心頻率變化曲線第四十頁，共72頁。膜片耦合膜片耦合的特點：磁耦合；功率容量較大；耦合結(jié)構(gòu)占空間較小；耦合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生額外的高次諧波；耦合量可調(diào)諧性較好；耦合量較??；第四十一頁，共72頁。耦合系數(shù)變化曲線第四十二頁，共72頁。中心頻率變化曲線第四十三頁，共72頁。探針耦合探針耦合的特點：電耦合；功率容量較大；耦合結(jié)構(gòu)占空間較小；耦合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生額外的高次諧波；耦合量可調(diào)諧性好；耦合量大；第四十四頁，共72頁。耦合系數(shù)變化曲線第四十五頁，共72頁。中心頻率變化曲線第四十六頁，共72頁。耦合環(huán)耦合耦合環(huán)耦合的特點：磁耦合；功率容量較大；耦合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生額外的高次諧波；耦合量可調(diào)諧性差；耦合結(jié)構(gòu)占空間較??；耦合量較大；第四十七頁，共72頁。耦合系數(shù)變化曲線第四十八頁，共72頁。中心頻率變化曲線第四十九頁，共72頁。直接耦合直接耦合的特點：磁耦合；功率容量大；耦合結(jié)構(gòu)占空間??；耦合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生額外的高次諧波；耦合量可調(diào)諧性較差；耦合量大；第五十頁，共72頁。耦合系數(shù)變化曲線第五十一頁，共72頁。中心頻率變化曲線第五十二頁，共72頁。耦合結(jié)構(gòu)小結(jié)如果兩個諧振器產(chǎn)生耦合，諧振器的中心頻率也會發(fā)生變化。當(dāng)諧振器之間是電耦合時，諧振器的中心頻率隨耦合量增加而下降。當(dāng)諧振器之間是磁耦合時，諧振器的中心頻率隨耦合量增加而增加。探針和耦合環(huán)耦合的耦合量通常較小，多用于交叉耦合。直接耦合的耦合量比較大多用于輸入輸出結(jié)構(gòu)。第五十三頁，共72頁。選擇耦合結(jié)構(gòu)通常，腔體間主耦合通道選擇空間耦合或膜片耦合。探針耦合和耦合環(huán)耦合常用于交叉耦合。直接耦合較少采用。如果不考慮耦合結(jié)構(gòu)所占的空間大小，我們可以選擇空間耦合作為腔體間的耦合結(jié)構(gòu)。第五十四頁，共72頁。計算耦合系數(shù)的模型建立耦合結(jié)構(gòu)模型全部材料選擇理想材料（金屬=PEC；介質(zhì)無耗）；如果，不關(guān)心寄生通帶的影響，計算模型可以利用對稱性。A=30mmB=120mmC=120mmR1=5mmR2=6mmR3=8mmL=114.5mmH=15mmS=27PerfectH第五十五頁，共72頁。耦合系數(shù)計算結(jié)果由濾波器的值，確定：第五十六頁，共72頁。4、設(shè)計輸入輸出結(jié)構(gòu)第五十七頁，共72頁。腔體與外電路耦合腔體與外電路耦合的結(jié)構(gòu)類型主要有：直接耦合；容性耦合；磁性耦合；變換器耦合。第五十八頁，共72頁。直接耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)直接耦合的特點：磁耦合；結(jié)構(gòu)簡單；耦合量與直接耦合點和接地點之間的高度成正比。第五十九頁，共72頁。容性耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)容性耦合的特點：電耦合；耦合量與天線和桿之間的距離以及耦合點的位置有關(guān)。第六十頁，共72頁。感性耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)感性耦合的特點：磁耦合；耦合量與耦合環(huán)切割磁力線的量有關(guān)。第六十一頁，共72頁。變換器耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)（1）變換器耦合的特點：電耦合；變換器處于過耦合狀態(tài)。它的諧振頻率不影響濾波器特性。第六十二頁，共72頁。變換器耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)（2）變換器耦合的特點：電耦合；變換器處于過耦合狀態(tài)。它的諧振頻率不影響濾波器特性。第六十三頁，共72頁。輸入輸出結(jié)構(gòu)小結(jié)輸入輸出結(jié)構(gòu)的引入會改變腔體諧振頻率的改變。當(dāng)輸入輸出結(jié)構(gòu)為電耦合時，耦合量增加諧振頻率下降。當(dāng)輸入輸出結(jié)構(gòu)為磁耦合時，耦合量增加諧振頻率上升。變換器耦合實際上存在兩次耦合過程，首先，外電路耦合到變換器桿，然后通過變換器桿和諧振桿之間的耦合，最后實現(xiàn)了外電路與諧振桿之間的耦合。而且，不管第一級耦合使用電耦合還是磁耦合。其最后結(jié)果均為電耦合。第六十四頁，共72頁。通過計算模式的有載Q值計算耦合系數(shù)。其中，是某一模式的有載Q值。在HFSS中，有載Q值可以用PML層計算。在CST中，有載Q值可以通過群時延計算其中，是群時延最大值所對應(yīng)的頻率是最大群時延值輸入、輸出耦合系數(shù)的計算方法第六十五頁，共72頁。有載Q值計算模型同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑1.5mm；同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑3.5mm；耦合天線圓盤外徑13mm;厚度4mm；耦合天線于園柱表面的距離1.94mm；耦合天線距底面高度15mm。第六十六頁，共72頁。QL計算結(jié)果1、由腔體QL值確定天線距離；2、確定邊緣腔體的幾何尺寸第六十七頁，共72頁。InitialFilterDesigninHFSSFilterTheory:Resonantfrequencyoftheoutermostresonators fR1=400MHzResonantfrequencyoftheinnerresonators fR2=400MHzLoadedQ QL=31.498CouplingcoefficientsK12=0.02893,K23=0.02171,K34=0.02065HFSSCalibration:Lengthofthetwooutermostresonators =113.399mmLengthofthefiveinnerresonators =114.69mmA