现代滤波器设计讲座5.pdf

序言序言?单腔多模滤波器是指利用微波谐振电路中的简并模式组成的滤波器电路。这里单腔是借用腔体滤波器的概念是指一个物理上的谐振回路。它可以是一个金属腔体，也可以是一个介质腔体，也可以是一个平面谐振回路。?在谐振回路中每一个模式都可以等效为一个谐振电路。利用耦合结构在这些模式之间耦合就可以构成单腔多模滤波器。?单腔多模滤波器具有体积小，制造成本低，滤波器性能好的特点。?单腔多模滤波器调试工作较复杂，容易受环境变化影响。在工程上一般使用单腔双模较多。也有一些单腔三模和四模滤波器的报道。RFS公司的一种多模滤波器公司的一种多模滤波器?RFS(Radio Frequency Systems)公司研制了一种UMTS 滤波器。?设计指标：通带1920-1980MHz；其带外抑制可达到1880MHz 以下大于70dB，2110MHz 以上大于95dB。带内插损小于1dB；回波损耗小于-20dB。?滤波器实际测试响应曲线与仿真的滤波器响应曲线十分一致。与设计参数所保证的相同，滤波器带内回波损耗优于20dB，中心频率的插损为0.51dB，而6 0 M H z 通带范围内的插损也小于1 d B。并且，该滤波器的带外抑制也满足要求。体积仅为75mmx36mmx33mm（不包括调谐螺钉高度），还不到传统金属同轴梳状型滤波器的1/3。8OOMHz 高功率双工器Murata Manufacturing Company1.9 GHz dual-mode duplexerMurata Manufacturing Company用于用于3G的微带双模滤波器的微带双模滤波器L.Roselli;L.Lucchini;P.Mezzanotte，“Novel Compact Narrow-band Microstrip Dual-mode Resonator Filters for 3G Telecommunication Systems”，European Microwave Conference,2002.32nd.Oct.2002 Page(s):1-3 多模滤波器设计的关键技术多模滤波器设计的关键技术?腔体(谐振电路)设计；?可选择的腔体（谐振回路）类型有金属腔体、介质腔体或者平面电路的谐振回路。作为单腔多模滤波器所选择的腔体必须有简并模。因此，一般在几何结构上都具有对称性。例如，球形；圆柱形；方形和三角形等。?设计简并模式之间的耦合结构；?实现简并模之间的耦合，在本质上就是破坏结构的对称性。因此，能够破坏对称性的所有措施都可以实现简并模之间的耦合。?设计腔体之间的耦合结构；?当多模滤波器是由多个腔体组成的时候，腔体之间要对简并模中某一个或多个模式之间实现耦合。?设计输入、输出结构;?与腔体之间的耦合类似，多模滤波器的输入、输出结构与简并模中某一个或多个模式实现耦合。多模滤波器使用的金属腔多模滤波器使用的金属腔?矩形谐振腔：a a a 20amm=多模滤波器使用的金属腔多模滤波器使用的金属腔?圆柱谐振腔：10 15rLmm=多模滤波器使用的金属腔多模滤波器使用的金属腔?球形谐振腔：10rmm=矩形介质谐振器矩形介质谐振器25;50;37;rdmmDmm=矩形介质谐振器矩形介质谐振器矩形介质谐振器矩形介质谐振器矩形介质谐振器矩形介质谐振器d/D的比值不同简并模的数 量不一样，在的比值不同简并模的数 量不一样，在d/D=0.2；0.8等处简并模为等处简并模为4个。个。A Novel Dual-Mode TE01 Dielectric Resonator计算模型计算模型HEM11 模谐振器模谐振器常见平面多模谐振器常见平面多模谐振器正方形微带腔正方形微带腔10.50.01720.52rtmmDmmWmm=一些常见平面多模谐振回路一些常见平面多模谐振回路DGS Star-Geometry简并模的耦合简并模的耦合简并模式之间的耦合简并模式之间的耦合?谐振腔在对称条件下，简并模式之间不存在耦合。简并模式可以独立存在。?如果通过微扰改变谐振腔的对称性，谐振腔中简并模之间将会产生耦合（能量的传递）。原来的简并模式变成两个频率接近的谐振模式。这两个模式不一定相互独立存在。?通过扰动简并模式电场产生的耦合叫电耦合；通过扰动简并模式磁场产生的耦合叫磁耦合。耦合系数与耦合结构耦合系数与耦合结构of2222oeoeffkff=+ef-奇模频率奇模频率-偶模频率偶模频率利用螺钉耦合利用螺钉耦合?在波导棱边插入螺钉(插入深度3mm)。加微扰后，腔体的谐振频率和电场如下所示：102;effff=2202200eeffkff=+-电耦合电耦合波导中简并模式的耦合波导中简并模式的耦合?截面为正方形(22.86X22.86mm)长度为40mm的波导作滤波器的谐振电路。未加微扰前，腔体的谐振频率和电场如下所示：利用边条耦合利用边条耦合?在波导棱边加入边条(插入深度1mm)。加微扰后，腔体的谐振频率和电场如下所示：102;effff=2202200eeffkff=+-电耦合电耦合在介质谐振器上切槽实现耦 合在介质谐振器上切槽实现耦 合?（HEM11模）403;effff=2202200eeffkff=+-磁耦合磁耦合金属贴片微扰（金属贴片微扰（HEM11 模）模）矩形介质谐振器简并模的耦合矩形介质谐振器简并模的耦合矩形贴片通过切角耦合矩形贴片通过切角耦合302;effff=2202200eeffkff=+-电耦合电耦合正方形微带腔体的磁场正方形微带腔体的磁场矩形贴片通过开十字缝耦合矩形贴片通过开十字缝耦合302;effff=2202200eeffkff=+-磁耦合磁耦合DGS Star-Geometry简并模的耦合简并模的耦合矩形贴片通过切角耦合矩形贴片通过切角耦合302;effff=2202200eeffkff=+对第二个模式：对第二个模式：22227.5525;7.5523;0emememffffkff=+?矩形波导之间的耦合矩形波导之间的耦合?对称面为PEC?对称面为PEM对第一个模式：对第一个模式：22227.557.538;0emememf2;fffkff=+对第二个模式：对第二个模式：7.5525;em22em22emff=7.5384;f-fk=0f+f=输入、输出的耦合结构输入、输出的耦合结构?在多模滤波器中输入、输出耦合结构与前面的耦合结构类似，它可能只耦合其中一个模式；也可能耦合所有模式。当输入、输出结构只耦合简并模中的一个模式时，计算耦合的方法与单模滤波器相同。?输出、输入结构与谐振器耦合可以分成电耦合、磁耦合和电流耦合三种方式。电耦合耦合系数为正，磁耦合耦合系数为负，电流耦合也为正。波导滤波器的输入、输出结构波导滤波器的输入、输出结构矩形介质谐振器与外电路的耦合矩形介质谐振器与外电路的耦合微带耦合结构微带耦合结构?通过计算模式的有载Q值计算耦合系数。其中，是某一模式的有载Q值。?在HFSS中，有载Q值可以用PML层计算。?在CST中，有载Q值可以通过群时延计算其中，是群时延最大值所对应的频率是最大群时延值输入、输出耦合系数的计算方法输入、输出耦合系数的计算方法2011LQK=LQ0maxL2ftQ=40fmaxt01K利用利用PML层计算层计算QL利用利用PML层计算层计算QL利用群时延计算利用群时延计算QL双模滤波器的设计例子双模滤波器的设计例子拓扑图拓扑图SL123400000000000+等效电路图等效电路图Port2C=C1L=L1R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(1.6641*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.1963*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.1963*Sqrt(bwf)C=C1L=L1R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(1.6641*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.1963*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.1963*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.1963*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.1963*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.6641*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(1.6641*(bwf)ADS仿真图仿真图仿真结果仿真结果