非对称同轴双通带滤波器设计(正文)

非对称双通带同轴腔滤波器设计王一凡中国电子科技集团第十研究所，四川成都，610036摘要：本文在分析滤波器多项式的基础上，通过优化反射零点的位置，综合出了适合同轴腔滤波器结构的耦合矩阵。在此耦合矩阵的基础上，建立了与之对应的三维结构模型，并运用有限元方法对该模型进行仿真，得到了和理论计算一致的结果，验证了该设计方法的准确性和有效性。关键词：耦合矩阵，同轴腔滤波器，非对称双通带1．引言近年来，在空间和陆基的一些微波通信系统中，出现了对多通带滤波器的需求。而对这种滤波器的综合，目前还没有完善的理论分析，本文通过对非对称双通带滤波器耦合矩阵的综合，在这方面作了一些尝试。与目前使用的输入输出均为双工器的解决方案相比，双通带滤波器的结构更加紧凑，简单。而且调试也更加容易，因为调试时不必考虑两个通带之间的耦合。对于通带对称的双通带滤波器综合，cameron[2]给出了完善的综合方法。但是这种方法只适合对称结构，缺乏一般性。本文通过优化反射零点位置的方法，对非对称结构的双通带滤波器进行了综合，建模仿真，取得了较好的结果，为多通带滤波器的综合奠定了一定的基础。2．多项式分析众所周知，滤波器的响应曲线是由多项式唯一确定的。其S参数可以表示为：)()()(11NNEFS)()()(21NNEPS(1)其中为带内纹波系数，它与通带内的回波损耗RL有关)()(110110/NNRLFP，（1）。(2))(NP是一个与带外传输零点有关的多项式，它与滤波器的带外抑制特性相关，一般都预先指定作为已知量。)(NF则是一个与通带内反射零点相关的多项式，它决定着通带带宽以及带内的回波损耗大小，通常)(NF可以根据需求，通过选择不同的函数原型（如且比雪夫，巴特沃思等）来求得。至于)(NE，则可以利用无耗网络的能量守恒定理：1221211SS，求出。然而，对于多通带的响应特性，却没有与之相对应的函数原型，因此，求解具有多通带特性的多项式)(NF是多通带滤波器综合的关键。令归一化频率的两个通带分别为：[-1，-0.15]，[0.6，1]。其通带带宽比为0.85：0.4。左边通带的带宽约为右边带宽的两倍多，中间有一个0.75宽的阻带。为了增强两通带间阻带的抑制，将传输零点移到通带内，把一个通带剖分为两个，然后运用优化方法，得到了具有双通带特性的多项式)(NF。最后得到的多项式比值)(/)(NNPF的响应曲线如图一所示：图一多项式)(/)(NNPF在归一化频率下的响应曲线优化过程中，我们以多项式的根（也就是反射零点的位置）为优化变量，让多项式)(/)(NNPF的比值，在两个通带内始终在[-1，1]以内，以保证带内回波损耗的纹波始终一致，最后得到指定的传输零点值（多项式)(NP的根）为：0，0.158，0.33，1.52。优化得到的反射零点值（多项式)(NF的根）为：-0.8971，0.9576，0.6309，0.5952，-0.4057，-0.1716。3．非对称双通带滤波器的实现在得到各多项式的根后，整个滤波器的特性也就确定了。接下来，按照cameron[2]提出的综合方法，可以方便地得到耦合矩阵，这里就不再累述。综合得出的耦合矩阵与实际频率下的滤波器响应如图二所示：图二综合得到的耦合矩阵值与实际频率下的滤波器响应然后，根据得到的耦合矩阵值，构建与之相对应的同轴腔三维模型。与综合得到的耦合矩阵一致，同轴腔滤波器也是采用折叠型的拓扑结构，其实物模型如图三所示：图三非对称双通带同轴腔滤波器实物模型为了得到与理论计算相符的响应曲线，在用有限元方法进行仿真时，使用了空间映射优化算法来修正结构参数，经过５次迭代后得到了与理论计算十分相符的响应曲线，其仿真结果如图四所示：图四HFSS计算的仿真结果4．结束语从以上仿真结果看，实际结构的有限元仿真和理论计算的结果是完全一致的，证明该设计方法是切实可行的。同样，运用该方法还可以对多通带滤波器进行设计，但是在某些时候对多项式进行优化时并不能得到理想的结果，多项式的优化还需要考虑传输零点的影响，这些都需要作进一步的理论分析。参考文献：[1]S.Bila,R.J.Cameron,P.Lenoir,V.Lunot,F.Seyfert.ChebyshevSynthesisforMulti-BandMicrowaveFilters.IEEE2006,1221-1224[2]RichardJCameron.AdvancedCouplingMatrixSynthesisTechniquesforMicrowaveFilters[J].IEEETrans-MTT,2003,51(1):1-10[3]JohnW.Bandler,QingshaS.Cheng,DanielM.Hailu,NataliaK.Nikolova.ASpace-MappingDesignFramework.IEEETrans-MTT,Nove,2004,52(11):2601-2609[4]甘本袚,吴万春.现代滤波器的结构与设计.科学出版社.1974[5]黄席椿,高顺泉.滤波器综合[M].北京:人民邮电出版社.1978