现代滤波器设计讲座(3波导滤波器设计)

电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（三）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；电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（三）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=15.35GHzBW=32MHzS11-20dBS21-40dB@f0±40MHz滤波器从14.9到15.35GHz连续可调BJ-140波导技术参数：a=15.8mm;b=7.9mm;工作频率范围：11.9~18GHz滤波器原型1a)Obtainlow-passprototypeparameters(gi)fromfilterspecifications(seee.g.Matthaei*)g0g1g3gn-1gn+1g2g4gnf0BWILRL*Matthaei,YoungandJones“Microwavefilters,impedance-matchingnetworks,andcouplingstructures”,ArtechHouse,Norwood,MA,1992K01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2Example:f0=15.35GHzBW=32MHzS11-20dBS21-40dB@f0±40MHz6thorderChebychevfilterprototypeelementsg0=1.0000g1=0.8836g2=1.3966g3=1.7894g4=1.5528g5=1.6095g6=0.7667g7=1.1524带K变换器滤波器模型1b)CalculateK-inverters(band-passprototypeparameters)00201gicK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/201010012AAKwKZgg,1,1012nnBnnBnnKwKZgg11,001,1,12iiiiiiiiiggwZZKK0200ffwgiiExample:K´01=0.0775K´12=0.0048K´23=0.0034K´34=0.003200cfK变换器的S参数在滤波器中心工作频率00jKAjK211222211221;121KSSKKSSjKK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/22222221211;2111KKjKKSKKjKK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；21111212111111SKSSSK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/22190argiS优化耦合系数Forallcouplings:OptimizecouplingtogivetherightK-invertervalueatthecenterfrequency11112212111111SKSKSSCouplingS21(dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diameteroffsetd1=2.50mmdo1=3.845mmd2=3.50mmdo2=3.135mmd3=3.50mmdo3=2.960mmd4=3.50mmdo4=2.972mmd5=3.50mmdo5=2.960mmd6=3.50mmdo6=3.135mmd7=2.50mmdo7=3.845mmK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2ddo优化谐振腔长度Forallresonators:calculateresonatorlength,finetuneuntilthestructureresonatesatthecenterfrequency2grl2121rlrK01K12K23Kn,n+1Z0AZ0BZ0Z0Z0Z0g/2g/2DennefigurenerIKKEforførsteresonatorr1215.3115.3215.3315.3415.3515.3615.3715.3815.3915.4-40-35-30-25-20-15-10frequency(GHz)S(dB)resonatorlengthl1=10.839mml2=11.346mml3=11.395mml4=11.395mml5=11.346mml6=10.839mm15.2415.2615.2815.315.3215.3415.3615.3815.415.42-90-80-70-60-50-40-30-20-10010frequency(GHz)S(dB)滤波器测试结果Designedat15.35GHzTunablefrom14.9to15.35GHzMeasuredat15.32GHz15.2915.315.3115.3215.3315.3415.35-6-5-4-3-2-10frequency(GHz)S21(dB)datacenteredonf0-40-30-20-100102030-60-50-40-30-20-100f-f0(MHz)S(dB)S11MeasuredS21MeasuredS11HFSSS21HFSSS11GoalS21Goal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电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（三）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。ERDEMOFLI,“ANALYSISANDDESIGNOFMICROWAVEANDMILLIMETER-WAVEFILTERSANDDIPLEXERS”,SWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGYZURICH,DoctoralThesisETHNo.15771E平面金属插片交叉耦合滤波器f0=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB四腔交叉耦合滤波器returnlossis20dBcenterfrequency11.55GHzbandwidthof200MHz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=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB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=30.25GHz,BW=500MHzandRL=20dB非对称零点四腔滤波器仿真结果f0=30.25GHz,BW=500MHz；RL=20dB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。实线是有源与负载耦合的结果。电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（三）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（RejectionResonator）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.RhodesandR.J.Cameron,“Generalextractedpolesynthesistechniquewithapplicationtolow-lossTE-modefilters,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.MTT-28,pp.1018–1028,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。0Port1Port2C=C1L=L1R=QuKP=lamped/4Z=1/(ms1*Sqrt(bwf))KP=lamped/4Z=1/(m1L*Sqrt(bwf))KP=lamped/4Z=1/(mo1*bwf)采用抑制谐振器的等效电路Amari,“SynthesisandDesignofNovelIn-LineFiltersWithOneorTwoRealTransmissionZeros”，IEEETRANS.ONMTT,VOL.52,NO.5,MAY2004,1464-1478使用1个抑制谐振器的3阶滤波器Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(0.5735*Sqrt(bwf))C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(1.0729*(bwf))KP=lamped/4Z=1/(1.532*Sqrt(bwf))KP=lamped/4Z=1/(1.0833*Sqrt(bwf))EE=53.2degF=FZ=10使用2个抑制谐振器的3阶滤波器Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(0.7446*Sqrt(bwf))C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(0.4331*Sqrt(bwf))KZ=1/(1.113*Sqrt(bwf))KP=lamped/4Z=1/(2.4504*Sqrt(bwf))EE=40.86degF=FZ=1EE=64.96degF=FZ=100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.SieverdingandF.Arndt,“FieldtheoreticCADofopenoraperturematchedTjunctioncoupledrectangularwaveguidestructures,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.40,no.2,pp.353–362,1992.二阶滤波器具有2个零点R.Montejo-Garai,“SynthesisandDesignofIn-LineN-OrderFiltersWithNRealTransmissionZerosbyMeansofExtractedPolesImplementedinLow-CostRectangularH-PlaneWaveguide”,IEEETRANS.ONMTT,VOL.53,NO.5,MAY20051636-1642三阶滤波器具有1个零点四阶滤波器具有2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仿真曲线测试曲线电子科技大学