現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例講座

1、濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例,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(dòng)：小于0.5dB群時(shí)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,1、利用仿真軟件作出初始設(shè)計(jì),確定設(shè)計(jì)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(jì)指標(biāo)不同。受溫度漂移、擊穿功率和群時(shí)延等技術(shù)指標(biāo)的限制，

2、濾波器設(shè)計(jì)的工作帶寛要比用戶要求的帶寛寬一些。通常，設(shè)計(jì)帶寛比用戶要求大20%左右。設(shè)計(jì)時(shí)，濾波器插損、隔離、擊穿功率和群時(shí)延等要比用戶要求高一些。,6階切比雪夫?yàn)V波器耦合矩陣,輸入中心頻率；帶寛等參數(shù),6階切比雪夫?yàn)V波器計(jì)算結(jié)果,6階切比雪夫?yàn)V波器的儲(chǔ)能、群時(shí)延和S參數(shù),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),6階交叉耦合濾波器計(jì)算結(jié)果,6階交叉耦合濾波器的儲(chǔ)能、群時(shí)延和S參數(shù),7階切比雪夫?yàn)V波器耦合矩陣,輸入中心頻率

3、；帶寛等參數(shù),7階切比雪夫?yàn)V波器計(jì)算結(jié)果,7階切比雪夫?yàn)V波器的儲(chǔ)能、群時(shí)延和S參數(shù),8階切比雪夫?yàn)V波器耦合矩陣,輸入中心頻率；帶寛等參數(shù),8階切比雪夫?yàn)V波器計(jì)算結(jié)果,8階切比雪夫?yàn)V波器的儲(chǔ)能、群時(shí)延和S參數(shù),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,小結(jié),根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，考慮到溫度對(duì)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?yàn)V波

4、器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程上容易實(shí)現(xiàn)。如果濾波器體積和造價(jià)允許，我們將首選7階切比雪夫。因此，綜合考慮溫度對(duì)濾波器特性的影響和拓?fù)錂C(jī)構(gòu)三維實(shí)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?yàn)V波器。,7階切比雪夫?yàn)V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。,,7階切比雪夫?yàn)V波器等效電路參數(shù),,,,2、確定濾波器使用的腔體,確定合適的腔體結(jié)構(gòu),諧振腔設(shè)計(jì)初始考慮,由于，該濾波器

5、工作頻率較低，同時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)度定為略小于1/2波長(zhǎng)。加載較重，長(zhǎng)度可定為1/4波長(zhǎng)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。,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(jì)算與工作模式相鄰模

6、式的頻率，確定寄生通帶的大概位置；通過計(jì)算腔體Q值，確定濾波器的插損；通過計(jì)算腔體內(nèi)的場(chǎng)分布，確定濾波器電場(chǎng)最大點(diǎn)的位置和場(chǎng)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(jiǎn)化。,建立中間腔體計(jì)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）。,,計(jì)算結(jié)果,1、確定腔

7、體Q0值；2、確定中間腔體的幾何尺寸,,高次諧波頻率大于14GHz,3、設(shè)計(jì)腔體間耦合結(jié)構(gòu),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；,在對(duì)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(duì)應(yīng) 和 ，耦合系數(shù)的?？梢杂孟旅娴墓接?jì)算。,耦合系數(shù)--電壁/磁壁法,對(duì)于對(duì)稱耦合諧振器的情況，兩個(gè)諧振器頻率完全相同，這樣可以將耦合諧振器從對(duì)稱面劈開

8、，如右圖所示。,、,K為正表示磁耦合； K為負(fù)表示電耦合。,而如果兩個(gè)諧振器是非對(duì)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(shí)每一個(gè)諧振器在對(duì)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(shí)將得到四個(gè)本征頻率， 和 這樣，非對(duì)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。,感性膜片耦合,Perfect E,Perfect H,容性膜片耦合

9、,Perfect E,Perfect H,耦合系數(shù)—雙模提取法,前面的分析是分別提取兩個(gè)頻率 和 ，而對(duì)于耦合諧振器對(duì)，不管是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的還是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的，也可以利用雙模法提取兩個(gè)模式之間的耦合系數(shù)。假設(shè)，諧振器1和諧振器2單獨(dú)存在時(shí)的頻率為 和 。在兩個(gè)諧振器產(chǎn)生耦合時(shí)，諧振器1和諧振器2的頻率分別變?yōu)?和 。則兩個(gè)腔體的耦合系數(shù)計(jì)算公式為：,,,,,K為正表示磁耦合； K為負(fù)表示電耦合。,耦合系數(shù)—雙模提取法,如果，諧

10、振器耦合前的諧振頻率相同，即：諧振器耦合系數(shù)的計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：在耦合諧振器對(duì)同時(shí)存在的情況下，利用HFSS的本征模解算器，設(shè)置兩個(gè)本征頻率，這樣一次性提取出兩個(gè)頻率。,,,,,K為正表示磁耦合； K為負(fù)表示電耦合。,耦合系數(shù)極性的判定（1）,計(jì)算公式：其中， 是對(duì)稱面為電壁時(shí)的諧振頻率； 是對(duì)稱面為磁壁時(shí)的諧振頻率；,對(duì)稱面為電壁對(duì)稱面為磁壁,對(duì)稱面,感性膜片耦合,通過對(duì)稱面上的磁場(chǎng)判斷電壁

11、/磁壁,Mode 1,對(duì)稱面磁場(chǎng)只有法向分量---磁壁,對(duì)稱面磁場(chǎng)只有切向分量---電壁,Mode 2,容性膜片耦合,通過對(duì)稱面上的磁場(chǎng)判斷電壁/磁壁,Mode 1,對(duì)稱面磁場(chǎng)只有法向分量---磁壁,對(duì)稱面磁場(chǎng)只有切向分量---電壁,Mode 2,電場(chǎng)奇對(duì)稱電場(chǎng)偶對(duì)稱,耦合系數(shù)極性的判定（2）,計(jì)算公式：其中， 電場(chǎng)沿對(duì)稱面奇對(duì)稱時(shí)的諧振頻率； 電場(chǎng)沿對(duì)稱面偶對(duì)稱時(shí)的諧振頻率；,對(duì)稱面,對(duì)稱面,感性膜片耦

12、合,通過對(duì)稱面上的磁場(chǎng)判斷電壁/磁壁,Mode 1,電場(chǎng)偶對(duì)稱,電場(chǎng)奇對(duì)稱,Mode 2,容性膜片耦合,通過對(duì)稱面上的磁場(chǎng)判斷電壁/磁壁,Mode 1,Mode 2,電場(chǎng)偶對(duì)稱,電場(chǎng)奇對(duì)稱,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),,空間耦合,空間耦合的特點(diǎn)：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

13、較??；,,耦合系數(shù)變化曲線,,,中心頻率變化曲線,,,膜片耦合,膜片耦合的特點(diǎn)：磁耦合；功率容量較大；耦合結(jié)構(gòu)占空間較??；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??；,,耦合系數(shù)變化曲線,,,中心頻率變化曲線,,,探針耦合,探針耦合的特點(diǎn)：電耦合；功率容量較大；耦合結(jié)構(gòu)占空間較?。获詈辖Y(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；,,耦合系數(shù)變化曲線,,,中心頻率變化曲線,,,耦合環(huán)耦合

14、,耦合環(huán)耦合的特點(diǎn)：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；,,耦合系數(shù)變化曲線,,,中心頻率變化曲線,,,直接耦合,直接耦合的特點(diǎn)：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；,,耦合系數(shù)變化曲線,,,中心頻率變化曲線,,,耦合結(jié)構(gòu)小結(jié),如果兩個(gè)諧振器產(chǎn)生耦合，諧振器的中心頻率也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)諧振

15、器之間是電耦合時(shí)，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(shí)，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)。,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)。,計(jì)算耦合系數(shù)的模型,建立耦合結(jié)構(gòu)模型

16、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(jì)算模型可以利用對(duì)稱性。,A=30mmB=120mmC=120mmR1=5mmR2=6mmR3=8mmL=114.5mmH=15mmS=27,Perfect H,耦合系數(shù)計(jì)算結(jié)果,由濾波器的值，確定：,,,4、設(shè)計(jì)輸入輸出結(jié)構(gòu),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。,直接耦

17、合輸入/輸出結(jié)構(gòu),直接耦合的特點(diǎn)：磁耦合；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；耦合量與直接耦合點(diǎn)和接地點(diǎn)之間的高度成正比。,容性耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu),容性耦合的特點(diǎn)：電耦合；耦合量與天線和桿之間的距離以及耦合點(diǎn)的位置有關(guān)。,感性耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu),感性耦合的特點(diǎn)：磁耦合；耦合量與耦合環(huán)切割磁力線的量有關(guān)。,變換器耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)（1）,變換器耦合的特點(diǎn)：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。,變換器耦合輸入/輸出結(jié)構(gòu)（2）

18、,變換器耦合的特點(diǎn)：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。,輸入輸出結(jié)構(gòu)小結(jié),輸入輸出結(jié)構(gòu)的引入會(huì)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(shí)，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(shí)，耦合量增加諧振頻率上升。變換器耦合實(shí)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(shí)現(xiàn)了外電路與諧振桿之間的耦合。而且，不管第一級(jí)耦合使用電耦合還是磁耦合。其最后結(jié)果均為

19、電耦合。,通過計(jì)算模式的有載Q值計(jì)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(jì)算。在CST中，有載Q值可以通過群時(shí)延計(jì)算 其中， 是群時(shí)延最大值所對(duì)應(yīng)的頻率 是最大群時(shí)延值,輸入、輸出耦合系數(shù)的計(jì)算方法,有載Q值計(jì)算模型,同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑1.5mm；

20、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30mm。,QL計(jì)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,,Initial Filter Design in HFSS,Filter Theory :Resonant frequency of the outermost resonators fR1= 400 MHz R

21、esonant frequency of the inner resonators fR2= 400 MHz Loaded Q QL=31.498 Coupling coefficients K12=0.02893 , K23=0.02171 , K34=0.02065 HFSS Calibration:Length of the two outermost resonators = 113.3

22、99 mm Length of the five inner resonators = 114.69 mm Antenna distance = 1.879 mmDistances between resonators are 25.513 mm , 28.291 mm , 28.767 mm,HFSS計(jì)算模型,HFSS仿真結(jié)果,小結(jié),一般要對(duì)最后的濾波器實(shí)體模型作參數(shù)分析；優(yōu)化和穩(wěn)定性分析。通