波导滤波器设计

现代微波电路和器件设计
4、波导滤波器设计
苏涛 2008年春 2008年春
波导滤波器设计
1. 波导滤波器概述 2. 波导滤波器形式 3. 设计思想和CAD方法 设计思想和CAD方法 4. 设计实例
１、波导滤波器概述
波导滤波器是传输线滤波器的一种。 波导滤波器是传输线滤波器的一种。 波导滤波器的特点：低插耗、高功率容量 波导滤波器的特点：低插耗、 一般的，波导滤波器由不连续处和传输线段组成。 一般的，波导滤波器由不连续处和传输线段组成。
jB
不均性中高次模对于主模相当于jB
２、波导滤波器形式
波导带通滤波器
对称膜片 Symmetrical Diaphragm
纵向/横向条带 纵向 横向条带 Longitudinal/Transverse strips
方柱/圆柱 方柱 圆柱 Square/Circular Posts
３、设计思想和ＣＡＤ方法 设计思想和ＣＡＤ方法 ＣＡＤ
S B Cohn “Direct-coupled-resonator filters” Proc. IRE pp187-96, Feb 1957
说明１ 说明１型
带通（或其他） 带通（或其他）
′ L2 = g 2
′ R0 = g0
′ C1 = g1
′ C3 = g 3
diameter d1 = 2.50 mm d2 = 3.50 mm d3 = 3.50 mm d4 = 3.50 mm d5 = 3.50 mm d6 = 3.50 mm d7 = 2.50 mm
等效电路
waveguide filter (HFSS)
length2 length2 width2 length1 width1 width3
a/2 b length1 width2 width1 port 1
symmetry boundary
port 2
原型滤波器(等效电路) 原型滤波器(等效电路)
g2 g0 g1 g3
Example: f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz S11 < -20 dB S21 < -40 dB @ f0 ± 40 MHz
Z0A K01 Z0 λg/2 K12 Z0 λg/2 K23 Z0 Z0 Kn,n+1 Z0B
f0
BW IL RL
g4 gn-1
（1b）电路变换，得到 变换器的值 ）电路变换，得到K变换器的值
π wλA K ′ K01 = 01 = Z0A 2 g0 g1
′ Kn,n+1 = Kn,n+1 Z0B =
Ki′,i+1 =
Ki,i+1 Z0i Z0,i+1
=
2
πwλi
2
1 gi gi+1 Example:
K01=0.0775 K12=0.0048 K23=0.0034 K34=0.0032
a/2 b width1 length1 port 1 length2 width3 width2
耦合膜片设计 传输线段设计
length2 width2 length1 width1
symmetry boundary
port 2
设计步骤 1、由滤波器指标得到原型电路：得到K变换器的值； 、由滤波器指标得到原型电路：得到 变换器的值 变换器的值； 2、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用HFSS优化膜片 、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用 ）：使用 优化膜片 尺寸，得到要求的 变换器的值对应膜片的尺寸 变换器的值对应膜片的尺寸； 尺寸，得到要求的K变换器的值对应膜片的尺寸； 3、传输线尺寸设计（谐振器设计）：得到各传输线段 、传输线尺寸设计（谐振器设计）：得到各传输线段 ）： 的长度 优点： 优点： 每一步仅仅有简单结构仿真，速度快； 每一步仅仅有简单结构仿真，速度快； 每一步仅仅有一个优化变量，收敛快速； 每一步仅仅有一个优化变量，收敛快速；
或者变换的路径如下： 或者变换的路径如下：
′ L2 = g 2
′ R0 = g0
′ C1 = g1
′ C3 = g 3
′ Ln = g n
′ Cn = g n
′ Rn+1 = g n+1 或
′ Gn+1 = g n +1
阶梯ＬＣ到 阶梯ＬＣ到 ＬＣ 单一元件低通
低通到带通
Lr1 Cr1 Lr 2 Cr2 Lrn Crn RA K01 K12 K23 Kn,n+1 RB
说明1：传统设计与 说明 ：传统设计与CAD设计 设计 以上步骤也可以没有CAD的参与：由理论分析 的参与： 以上步骤也可以没有 的参与 得到膜片的等效电路值——并联电感和两段负的传输 得到膜片的等效电路值 并联电感和两段负的传输 线，半波长的谐振腔吸收负的传输线 但是，对于某些形状的膜片解析分析是困难的 但是， 和近似的。 和近似的。
′ Ln = g n
′ Cn = g n
′ Rn+1 = g n+1 或
′ Gn+1 = g n +1
Butterworth低通滤波器原型 Butterworth低通滤波器原型
g0 = 1
(2k 1)π gk = 2sin , k = 1,2,Ln 2n gn+1 = 1
Chebyshev低通滤波器原型 Chebyshev低通滤波器原型
ω0
ω0 = ω1ω2
低通到带通变换后，带通原理电路，在微波中不易实现。 低通到带通变换后，带通原理电路，在微波中不易实现。
K 阻抗变换器
K
K Z IN = ZL
2
ZL
微波滤波器常用结构，阻抗变换器级联串联谐振。 微波滤波器常用结构，阻抗变换器级联串联谐振。 变换器和并联谐振回路类同。 Ｊ变换器和并联谐振回路类同。
说明2：结构、等效电路和模式、 说明 ：结构、等效电路和模式、场 结构就是元件，就是电路 结构就是元件， 深层次的原因在于场分布 模式不同场不同，等效不同 模式不同场不同， 前面等效电路已有论述 如果两个膜片非常近， 如果两个膜片非常近，是 否任然可以分解为单个膜 片加传输线段的电路
高次模对于主模TE10的作用相当于一个电抗。高次 高次模对于主模TE 的作用相当于一个电抗。 模时衰减的，而且衰减很快，所以是局部的。 模时衰减的，而且衰减很快，所以是局部的。 相邻两个膜片较远时，一个的高次模无法到达另一 相邻两个膜片较远时， 个膜片，各自的影响是独立的；两个膜片模型是相 个膜片，各自的影响是独立的； 同的，都是TE10激励，高次模电抗影响； 同的，都是TE 激励，高次模电抗影响； 相邻两个膜片较近时，一个的高次模会受到另一个 相邻两个膜片较近时， 的影响，两者是互相影响的；此时不能把相邻膜片 的影响，两者是互相影响的； 分成两个单独的膜片处理，要考虑高次模的耦合。 分成两个单独的膜片处理，要考虑高次模的耦合。
width1
symmetry boundary
port 2
设计优化变量太多 仿真计算时间过长，内存需求大 仿真计算时间过长， 可能得到非最优结果
Brian 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
频率变换后， 频率变换后，带通滤波器原理电路
L2 R0 = g0 C2 L4 C4 Ln1 Cn1 Rn+1 Ln Cn Gn+1 = gn+1 n 偶数 L 1 C1 L3 C3 Ln Cn = gn+1 或
n 奇数
并联谐振腔电纳斜率， 并联谐振腔电纳斜率，串联谐振腔电抗斜率 ′ ω1g j 1 ω1 gk 1 l j = ω0C j = = χk = ω0 Lk = = ω0 Lj w ω0Ck w 其中， 其中， ω2 ω1 w=
gn gn+1
6th order Chebychev filter prototype elements g0 = 1.0000 g1 = 0.8836 g2 = 1.3966 g3 = 1.7894 g4 = 1.5528 g5 = 1.6095 g6 = 0.7667 g7 = 1.1524
*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992
LAr 17.37 β γ = sin 2n (2k 1)π ak = sin , k =1,2,L, n 2n
β = ln
g1 = gk =
2a1
γ
4ak1ak bk1gk1
, k = 2,3,L, n
gn+1 = 1 n 奇 数 β ＝coth 2 n偶数 4
kπ bk = γ 2 + sin 2 , k =1,2,L, n n
4、设计实例
WR62
Design Requirements f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHz S11 < -20 dB S21 < -40 dB @ f0 ± 40 MHz
Z0
K01
K12
K23
K34
K23
K12
K01
1、滤波器原型电路设计 、 （1a）由指标得到低通原型电路 ）
一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。 一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。