现代滤波器设计讲座(2-1广义切比雪夫滤波器的电路仿真)ppt课件.ppt

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1、电子科技大学电子科技大学 贾宝富贾宝富 博士博士现代滤波器设计讲座（二）现代滤波器设计讲座（二）广义切比雪夫滤波器的电路仿真大纲大纲n前言n广义切比雪夫滤波器串联谐振电路的仿真模型n广义切比雪夫滤波器并联谐振电路的仿真模型n计算实例q源与负载直接耦合滤波器电路模型q含非谐振节点的滤波器电路模型q含高次模节点的滤波器电路模型q几种复杂结构的广义切比雪夫滤波器电路模型q源与负载为复阻抗的广义切比雪夫滤波器电路模型q多通带广义切比雪夫滤波器电路模型电路仿真的意义电路仿真的意义n电路模型反映了滤波器的拓扑结构。通过电路模型可以建立几何结构与滤波器参数之间的联系。n通过电路模型，可以对滤波器的拓扑结构和

2、几何尺寸进行优化。n可以缩短研制周期。广义切比雪夫滤波器的等效电路广义切比雪夫滤波器的等效电路图一、A. E. Atia的 n 腔耦合滤波器等效电路模型( 1 )( 2 )( i )( j )( n-1 )( n )1iNi1,im1H1/2H 1/2H1/2H 1/2H1/2H 1/2H1/2H 1/2H1H1,2m2,im,1j nm2, jm2,1nm2,nm1,nnm, i jm,1i nm, i nm,1i nm1,nm正交耦合滤波器的串联型等效正交耦合滤波器的串联型等效电路模型电路模型 正交耦合滤波器正交耦合滤波器 n一个谐振腔既可以用串联谐振回路表示也可以用并联谐振回路表示。当我

3、们使用串联谐振回路表示谐振腔时，腔之间的耦合用K变换器表示。当我们使用并联谐振回路表示谐振腔时，腔之间的耦合用J变换器表示。 n我们先考虑一个不包括源和负载耦合三腔正交耦合滤波器。3腔正交耦合滤波器的电路模型腔正交耦合滤波器的电路模型图二、3腔正交耦合滤波器的电路模型 3腔正交耦合滤波器的电路模型腔正交耦合滤波器的电路模型1iiRQ1,2,3i 1iiiLC1,2,3i K变换器的等效电路变换器的等效电路 n根据电路理论，阻抗变换器可以用一个具有电抗特性的T形网络表示。T型网络电抗元件的电抗值就是它们的变比。如果是磁耦合，K变换器的等效电路为图中的（a）。如果是电耦合，K变换器的等效电路为图中

4、的（b）。图三、K变换器的等效电路 3腔正交耦合滤波器的等效电路模型腔正交耦合滤波器的等效电路模型 图四、3腔正交耦合滤波器的串联谐振回路等效电路模型3腔正交耦合滤波器的电路方程腔正交耦合滤波器的电路方程0)1(0)1(1333322311332322221123132121111iCjLjRRijKijKijKiCjLjRijKeijKijKiCjLjRRLss矩阵形式的电路方程矩阵形式的电路方程00321333231323222121312111sLSeiiijRRjKjKjKjRjKjKjKjRR Zie或，上述方程可以写成如下的矩阵形式 ： Z3 3其中， 是的阻抗矩阵。阻抗矩阵阻抗矩

5、阵 333231323222121312111jRRjKjKjKjRjKjKjKjRRZLS020122iiiiimFBWmFBW归一化阻抗矩阵归一化阻抗矩阵n归一化阻抗矩阵可以写成下面的形式， 1111213221222331323330000 00000000 sLpRrmmmZpjrmmmpmmmRrp Ij RMn腔正交耦合滤波器矩阵方程的一般形式腔正交耦合滤波器矩阵方程的一般形式 jp Ij RMieFBW121000000 000000SnLnRrrRrRrLLLLLLLLL11121(1)121222(1)2(1)1(1)2(1)(1)(1)12(1)nnnnnnnnnnnnn

6、nnnmmmmmmmmMmmmmmmmmLLLLLLLLL低通原型和带通滤波器之间的变换低通原型和带通滤波器之间的变换n低通到带通的频率变换式为：n其中，n 分别为上下边带频率； 为通带中心频率； 为分数带寛。 是归一化频率。012210FBW001FBW 12, 0FBW1;1 2;1 滤波网络对端口归一化滤波网络对端口归一化 图六、三腔正交耦合滤波器归一化等效电路模型 包括源与负载耦合的滤波器电路方程包括源与负载耦合的滤波器电路方程1111111110.00.000.00.0.000.00 .00.000.0.00.0000.0sssNsLsNLsNNNNNLNLsLLmmmRmmmmrZ

7、jmmmmrmmmR0 NLUj RM jUj RMieFBW正交耦合滤波器电路方程的一般形式正交耦合滤波器电路方程的一般形式 jZieFBW其中：其中：或或包括源与负载耦合的滤波器的包括源与负载耦合的滤波器的归一化耦合矩阵归一化耦合矩阵1111111100ssNsLsNLsNNNNNLsLLNLmmmmmmmMmmmmmmmLLLLLLLLLn腔体的等效电容n腔体的等效阻抗n其中， 是腔体品质因数。归一化耦合系数与电路参数的关归一化耦合系数与电路参数的关系系n腔体之间的耦合n腔体与源或负载之间的耦合n源与负载之间的耦合n腔体谐振频率;sisiKmFBWLjLjKmFBWijijKm FBWS

8、LSLKm20122iiiiimFBWmFBW11;iiiiLC01iRQ0Qn在电路中用电长度为90度，特性阻抗值为K的理想传输线段表示K变换器。用什么表示用什么表示K变换器？变换器？lK Z L Z L K 2 Z = IN ZinZLZ0仿真用电路软件的选择仿真用电路软件的选择n在ADS和Microwave Office软件中电长度为90度的理想传输线段对应的频率是一个固定值。nADS和Microwave Office中理想传输线段的特性阻抗值不能为负值。当耦合系数为负时，只能将传输线电长度设为-90度。nAnsoft Designer中电长度为90度的理想传输线段所对应的频率可以是一个

9、变量，随着扫描频率变化。nAnsoft Designer中理想传输线段的特性阻抗值可以为负值。串联谐振等效电路模型串联谐振等效电路模型n4阶交叉耦合滤波器n中心频率：7.5GHzn带寛：25MHzn腔体Q值：4000n反射损耗：-20dB01.02090000000.856900.2167000.856900.784900000.784900.8569000.216700.856901.0209000000M串联谐振等效电路模型串联谐振等效电路模型n电路模型EE=90degF=FZ=m01*Sqrt(bwf)EE=90degF=FZ=m14*bwfEE=90degF=FZ=m12*bwfEE=

10、90degF=FZ=m23*bwfEE=90degF=FZ=m34*bwfEE=90degF=FZ=m01*Sqrt(bwf)+AI_1+AI_2+AI_3+AI_4R=1/QuC=C2L=L2R=1/QuC=C3L=L3R=1/QuC=C4L=L4R=1/QuC=C1L=L100计算结果计算结果nS参数：计算结果计算结果n群时延计算结果计算结果n腔体储能212iiWL I正交耦合滤波器的并联型等效正交耦合滤波器的并联型等效电路模型电路模型 正交耦合滤波器的并联型等效电路模型正交耦合滤波器的并联型等效电路模型 正交耦合滤波器的并联型等效电路模型正交耦合滤波器的并联型等效电路模型 图七、三腔正交

11、耦合滤波器的并联谐振回路电路模型 导纳变换器导纳变换器J图八、导纳变换器及其等效电路 三腔正交耦合滤波器的并联谐振三腔正交耦合滤波器的并联谐振回路等效电路模型回路等效电路模型图九、三腔正交耦合滤波器的并联谐振回路等效电路 电路方程电路方程1111221331121222233213123233331()1()01()0ssLGGj CvjJvjJvij LjJvGj CvjJvj LjJvjJvGGj Cvj L矩阵形式电路方程矩阵形式电路方程或111213112122232233132333()()00()SsLGGjjJjJvijJGjjJvvjJjJGGj Yvi111121322122

12、2331323330000 00000000 sLpGgtttYpjgtttptttGgp Ij GTN腔正交耦合滤波器腔正交耦合滤波器121000000 000000SnLnGggGgGgLLLLLLLLL11121(1)121222(1)2(1)1(1)2(1)(1)(1)12(1) nnnnnnnnnnnnn nnnttttttttTttttttttLLLLLLLLLN腔正交耦合滤波器腔正交耦合滤波器端口归一化端口归一化图十、三腔正交耦合滤波器归一化等效电路模型 源和负载与腔体之间的耦合系数源和负载与腔体之间的耦合系数归一化耦合系数与电路参数之间的关系归一化耦合系数与电路参数之间的关系n

13、腔体之间的耦合n腔体与源或负载之间的耦合n源与负载之间的耦合n腔体的实际谐振频率11;sisiJmFBW11LjLjJmFBW1ijijijJFBW tFBW m1SLSLJm20122iiiiimFBWmFBWn腔体的等效电容n腔体的等效导纳n其中， 是腔体品质因数。11;iiiiLC001;iiGRQQ0Qn在电路中用电长度为90度，特性阻抗值为J的理想传输线段表示J变换器。用什么表示用什么表示 J 变换器？变换器？lK Z L Z L K 2 Z = IN ZinZLZ0并谐振等效电路模型并谐振等效电路模型n4阶交叉耦合滤波器n中心频率：7.5GHzn带寛：25MHzn腔体Q值：4000

14、n反射损耗：-20dB01.02090000000.856900.2167000.856900.784900000.784900.8569000.216700.856901.0209000000M并联谐振等效电路模型并联谐振等效电路模型n电路模型C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuC=C4L=L4R=QuEE=90degF=FZ=1/(m01*Sqrt(bwf)EE=90degF=FZ=1/(m12*bwf)EE=90degF=FZ=1/(m23*bwf)EE=90degF=FZ=1/(m34*bwf)EE=90degF=FZ=1/(m01*Sqrt(bwf

15、)EE=90degF=FZ=1/(m14*bwf)VV1VV2VV3VV4计算结果计算结果nS参数：计算结果计算结果n群时延计算结果计算结果n腔体储能212iiWCV更多的计算实例更多的计算实例 例一、例一、 3腔滤波器的优化腔滤波器的优化倪大宁，“源-负载耦合交叉耦合滤波器综合与设计”，西安电子科技大学，硕士学位论文，2007.1综合以后的结果综合以后的结果存在的问题存在的问题n工作带宽有一点偏；n综合以前对带外的抑制特性不太明确；n综合产生的耦合系数在物理上能否实现不了解；n综合的结果不一定是唯一的。n因此，需要用优化方法对综合以后的结果进行筛选和修正。优化前后的比较优化前后的比较优化后的

16、结果优化前的结果新的耦合矩阵新的耦合矩阵01.186600.10290.02251.18660.05620.99980.54760.139000.99980.46011.222100.10290.54761.22210.27891.19850.02250.139001.19850M新矩阵新矩阵旧矩阵旧矩阵化简拓扑结构化简拓扑结构Port1Port2C=C1L=L1R=QuKP=lamped/4Z=1/(M23*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(Ms1*Sqrt(bwf)KZ=1/(M3L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M12*(bwf)C=C2L=L2R=QuC=C

17、3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/MsLKP=lamped/4Z=1/(M13*(bwf)新的耦合矩阵新的耦合矩阵01.1952000.01391.19520.1449 1.10980.5429001.10980.45461.0746000.5429 1.07460.1803 1.15420.0225001.15420M23M1sM34M13M3LMsLM源负载优化结果优化结果例二、包含源与负载耦合的例子例二、包含源与负载耦合的例子nSmain Amari，“Adaptive Synthesis and Design of Resonator Filters With Sourc

18、e/Load-Multiresonator Coupling”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 8, AUGUST 2002， P 1696-1978中心频率：26.453GHz; 带宽：41MHz零点频率：f1=26.323GHz; f2=26.524GHz; f1=26.607GHz; 资料的仿真结果资料的仿真结果Designer的仿真结果的仿真结果0Port1Port2C=C1L=L1R=QuC=C2L=L2R=QuKP=lamped/4Z=1/(m12*bwf)KP=lamped/4Z

19、=1/(mSL)KP=lamped/4Z=sqrt(Qi)KP=lamped/4Z=sqrt(Qo)C=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(m23*bwf)KP=lamped/4Z=1/(m13*bwf)KP=lamped/4Z=1/(mS3*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(mL1*Sqrt(bwf)例三、带阻滤波器的例子例三、带阻滤波器的例子（同轴线连接）（同轴线连接）nRichard J. Cameron, Ying Wang and Ming Yu， “Direct-Coupled Realizations for Microwave Bandstop

20、Filters”，2005计算结果计算结果例四、带抑制谐振器的滤波器例四、带抑制谐振器的滤波器文献结果文献结果计算结果计算结果例五、含非谐振结点的滤波器电路仿真例五、含非谐振结点的滤波器电路仿真n把非谐振节点应用在滤波器设计中是Amari等人在2004年提出的。n在不存在源与负载耦合的条件下，也可以实现最大数量为N的有限频率传输零点。n这种结构的实现得益于推出了它的电路模型。一个一个Combline Filter的例子的例子Smain Amari, “Synthesis of Inline Filters With Arbitrarily Placed Attenuation Poles by

21、 Using Nonresonating Nodes”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 10, OCTOBER 2005， P3075-3081资料给出的参数资料给出的参数含非谐振结点的电路模型含非谐振结点的电路模型Smain Amari,” New Building Blocks for Modular Design of Elliptic and Self-Equalized Filters”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHN

22、IQUES, VOL. 52, NO. 2, FEBRUARY 2004，P 721-736计算结果计算结果仿真电路图仿真电路图n非谐振节点不含电抗分量仿真结果仿真结果nS参数仿真结果仿真结果n群时延仿真结果仿真结果n各个腔体的储能例六、含高阶谐振器的滤波器仿真例六、含高阶谐振器的滤波器仿真n这个概念是Amari在2005年提出的。n它的主要优势在多通带滤波器。在低通带，高阶腔体可作为低阶腔体的非谐振节点。反之，在高通带，低阶腔体可作为高阶腔体的非谐振节点。例六、含高阶谐振器的滤波器仿真例六、含高阶谐振器的滤波器仿真nMarjan Mokhtaari, Jens Bornemann and S

23、main Amari，“Advanced Filter Design Using Cross-CoupledNetworks With Higher-Order Resonances”， in Proc., 35th Eur.Microw. Conf.,Paris, France, Oct. 2005, P1423-1426拓扑结构和耦合矩阵拓扑结构和耦合矩阵仿真电路仿真电路0000Port1Port2C=C1L=L1R=QuC=C3L=L3R=QuC=C2L=L2R=QuC=C4L=L4R=QuEZ=1/(M_S1*Sqrt(bwf)EZ=1/(M_23*(bwf)EZ=1/(M_43*(b

24、wf)EZ=1/(M_3L*Sqrt(bwf)EZ=1/(M_13*(bwf)EZ=1/(M_12*(bwf)EZ=1/(M_S4*Sqrt(bwf)EZ=1/(M_42*(bwf)VV4VV1VV2VV3S参数仿真结果参数仿真结果仿真结果仿真结果n各个腔体的储能仿真结果仿真结果n各个腔体的储能仿真结果仿真结果n群时延例七、箱形滤波器的等效电路例七、箱形滤波器的等效电路Richard J. CameronRichard J. Cameron, “, “Advanced Coupling Matrix Synthesis Advanced Coupling Matrix Synthesis Te

25、chniquesTechniquesfor Microwave Filtersfor Microwave Filters” ”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2003 1THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2003 1， p1-p1-1010仿真电路仿真电路00Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(M_23*(bwf)C=C2L=L2R

26、=QuC=C4L=L4R=QuC=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_34*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_S2*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_5L*Sqrt(bwf)C=C5L=L5R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_45*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_25*(bwf)C=C1L=L1R=QuC=C6L=L6R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_S1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_6L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_16*(bwf)VV1VV6VV3VV4V

27、V5VV2仿真结果仿真结果nS参数仿真结果仿真结果n各个腔体储能仿真结果仿真结果n群时延另外一个箱形滤波器的例子另外一个箱形滤波器的例子资料上计算结果资料上计算结果滤波器等效电路滤波器等效电路000000Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(M_25*(bwf)C=C2L=L2R=QuC=C4L=L4R=QuC=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_34*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_S2*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_5L*Sqrt(bwf)C=C5L=L5R=QuC=C1L=L1R=QuC=C6L=L6R=QuKP=l

28、amped/4Z=1/(M_S1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_6L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_16*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_4L*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_S3*Sqrt(bwf)VV3VV4VV2VV5VV1VV6仿真结果仿真结果nS参数仿真结果仿真结果n各个腔体储能仿真结果仿真结果n群时延例八、异形结构滤波器例八、异形结构滤波器资料的计算结果资料的计算结果滤波器等效电路滤波器等效电路0000000Port1Port2KP=lamped/4Z=1/(M_23*(bwf)C=C2L=L2R=

29、QuC=C4L=L4R=QuC=C3L=L3R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_7L*Sqrt(bwf)C=C5L=L5R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_45*(bwf)C=C1L=L1R=QuC=C6L=L6R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_S1*Sqrt(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_12*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_56*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_67*(bwf)C=C7L=L7R=QuKP=lamped/4Z=1/(M_16*(bwf)KP=lamped/4Z=1/(M_27*(bwf)VV1VV2VV3V

30、V4VV5VV6VV7仿真结果仿真结果nS参数仿真结果仿真结果n各个腔体储能仿真结果仿真结果n群时延例九、串行与并行电路的比较例九、串行与并行电路的比较Smain Amari,” Physical Interpretation and Implications of Similarity Transformations in Coupled Resonator Filter Design”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2007， P1139-1152S参数结果完全相同，损耗

31、也相同。参数结果完全相同，损耗也相同。两种结构的群时延也相同两种结构的群时延也相同n群时延但是，腔体储能不同。但是，腔体储能不同。n串联结构腔体储能腔体储能不同。腔体储能不同。n并联结构腔体储能例十、含移相段的电路仿真例十、含移相段的电路仿真Smain Amari, “Synthesis and Design of Novel In-Line Filters With One or Two Real Transmission Zeros”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 52, NO. 5, MAY 200

32、4P1464-1477文献给出的结果文献给出的结果Designer 电路图电路图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=1Designer仿真结果仿真结果nS参数Designer仿真结果仿真结果n群时延Designer仿真结果仿真结果n各个腔体的储能另外源和负载都为复数的

33、例子另外源和负载都为复数的例子Designer 电路图电路图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=1Designer仿真结果仿真结果nS参数Designer仿真结果仿真结果n群时延Designer仿真结果仿真结果n各个腔体的储能例十一、双通带滤波器的仿真结果例十一、双通带滤波器的仿真结果n设计一个用于CDMA的滤波器，其工作的双通带分别为：825-835MHz、870-880MHz,则其中心频率=852MHz，带内衰减小于1.5dB，0.78 GHz以下及0.92GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。 仿真结果仿真结果谢谢！谢谢！