1、波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)波導(dǎo)濾波器概述波導(dǎo)濾波器具有插入損耗低、功率容量大和容易批量生產(chǎn)的特點(diǎn)；波導(dǎo)濾波器的工作頻率可以達(dá)到毫米波波段。主要用于衛(wèi)星通訊、電子對抗和雷達(dá)系統(tǒng)。波導(dǎo)濾波器有以下幾種類型：直接耦合波導(dǎo)濾波器；交叉耦合波導(dǎo)濾波器；帶抑制諧振器的波導(dǎo)濾波器；使用非諧振結(jié)點(diǎn)的波導(dǎo)濾波器；使用過模諧振器的波導(dǎo)濾波器；凋落模波導(dǎo)濾波器；腔體級聯(lián)耦合波導(dǎo)濾波器對稱膜片縱向條帶方柱橫向條帶圓柱矩形波導(dǎo)濾波器常見類型波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)參數(shù)：f0 = 15.35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz濾波器從 14.9到 15.35 GHz連續(xù)可調(diào)BJ-

2、140波導(dǎo)技術(shù)參數(shù)：a=15.8mm;b=7.9mm;工作頻率范圍：11.918GHz濾波器原型1a)Obtain low-pass prototype parameters (gi) from filter specifications (see e.g. Matthaei*)f0 BW IL RL*Matthaei, Young and Jones “Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures”, Artech House, Norwood, MA, 1992Example:f0 = 15.

3、35 GHz BW= 32 MHzS11 -20 dB S21 -40 dB f0 40 MHz6th order Chebychev filterprototype elementsg0 = 1.0000g1 = 0.8836g2 = 1.3966g3 = 1.7894g4 = 1.5528g5 = 1.6095g6 = 0.7667g7 = 1.1524帶K變換器濾波器模型1b)Calculate K-inverters (band-pass prototype parameters)Example:K01=0.0775K12=0.0048K23=0.0034K34=0.0032K變換器的

4、S參數(shù)在濾波器中心工作頻率K變換器計(jì)算模型利用對稱面可以簡化模型；計(jì)算K值；計(jì)算附加相移；優(yōu)化耦合系數(shù)For all couplings: Optimize coupling to give the right K-inverter value at the center frequencyCoupling S21 (dB)1-16.142-40.403-43.474-43.935-43.476-40.407-16.14diameteroffsetd1 = 2.50 mmdo1 = 3.845mmd2 = 3.50 mmdo2 = 3.135 mmd3 = 3.50 mmdo3 = 2.960

5、 mmd4 = 3.50 mmdo4 = 2.972 mmd5 = 3.50 mmdo5 = 2.960 mmd6 = 3.50 mmdo6 = 3.135 mmd7 = 2.50 mmdo7 = 3.845 mm優(yōu)化諧振腔長度For all resonators: calculate resonator length, fine tune until the structure resonates at the center frequencyDenne figuren er IKKE for frste resonatorresonator lengthl1 = 10.839 mml2 =

6、 11.346 mml3 = 11.395 mml4 = 11.395 mml5 = 11.346 mml6 = 10.839 mm濾波器測試結(jié)果Designed at 15.35 GHzTunable from 14.9 to 15.35 GHzMeasured at 15.32 GHzdata centered on f0仿真與測試結(jié)果比較利用周期結(jié)構(gòu)提高帶外抑制利用EBG結(jié)構(gòu)縮短波導(dǎo)濾波器長度利用交叉耦合產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)波導(dǎo)交叉耦合濾波器的特點(diǎn)受到幾何結(jié)構(gòu)的限制波導(dǎo)交叉耦合濾波器多數(shù)采用對稱結(jié)構(gòu)。ERDEM OFLI, “ANALYSIS AND DESIGN OF MICROWAVE AN

7、D MILLIMETER-WAVE FILTERS AND DIPLEXERS”, SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH, Doctoral Thesis ETH No. 15771E平面金屬插片交叉耦合濾波器f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB四腔交叉耦合濾波器return loss is 20 dB center frequency 11.55 GHz bandwidth of 200MHz仿真計(jì)算結(jié)果其中，虛線是無交叉耦合的仿真結(jié)果。實(shí)線是有交叉耦合的結(jié)果。1，2，4腔是TE101模；3腔

8、是TE102模Ka波段四腔交叉耦合濾波器設(shè)計(jì)f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB仿真計(jì)算結(jié)果其中，虛線是無交叉耦合的仿真結(jié)果。實(shí)線是有交叉耦合的結(jié)果。1，2，4腔是TE101模；3腔是TE102模實(shí)際制作的Ka波段交叉耦合濾波器為了測試實(shí)際制作的濾波器增加了彎波導(dǎo)段Ka波段交叉耦合濾波器測試結(jié)果圖中，MMT是模式匹配法；Meas是測試結(jié)果產(chǎn)生非對稱零點(diǎn)的四腔濾波器f0 = 30.25 GHz, BW = 500MHz and RL = 20 dB非對稱零點(diǎn)四腔濾波器仿真結(jié)果f0 = 30.25 GHz,BW = 500MHz；RL = 20 dB

9、源與負(fù)載直接耦合使用源與負(fù)載直接耦合可以提高濾波器性能，但源與負(fù)載之間的耦合孔要求更高的加工精度。包含源與負(fù)載直接耦合的2腔濾波器仿真結(jié)果其中，虛線是無源與負(fù)載耦合的仿真結(jié)果。實(shí)線是有源與負(fù)載耦合的結(jié)果。使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)使用抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)在1980年R.J. Cameron提出了使用抑制諧振器（Rejection Resonator）產(chǎn)生濾波器傳輸零點(diǎn)的方法。這項(xiàng)技術(shù)除了應(yīng)用于波導(dǎo)濾波器以外，還被用于梳狀結(jié)構(gòu)濾波器和介質(zhì)濾波器等結(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)。這項(xiàng)技術(shù)也被稱作零腔技術(shù)。由于使用這種方法產(chǎn)生的零點(diǎn)，只與抑制諧振器和相關(guān)的耦合結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此傳輸零點(diǎn)的設(shè)計(jì)比較靈活。 J. D.

10、Rhodes and R. J. Cameron, “General extracted pole synthesis technique with application to low-loss TE -mode filters,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-28, pp. 10181028, Sept. 1980.抑制諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的原理在傳輸回路中連接分支電路，分支電路的一端連接一個（或數(shù)個）專門產(chǎn)生傳輸極點(diǎn)的諧振器。這些諧振器被稱作抑制諧振器。采用抑制諧振器的等效電路Amari, “Synthesis and Desi

11、gn of Novel In-Line Filters With One or Two Real Transmission Zeros”，IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 52, NO. 5, MAY 2004, 1464-1478使用1個抑制諧振器的3階濾波器使用2個抑制諧振器的3階濾波器使用抑制諧振器的濾波器結(jié)構(gòu)三階濾波器零點(diǎn)高于中心頻率三階濾波器零點(diǎn)低于中心頻率T. Sieverding 設(shè)計(jì)的濾波器T. Sieverding and F. Arndt, “Field theoretic CAD of open or aperture matched Tjunction

12、coupled rectangular waveguide structures,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 40, no. 2, pp. 353362, 1992.二階濾波器具有2個零點(diǎn)R. Montejo-Garai, “Synthesis and Design of In-Line N-Order FiltersWith N Real Transmission Zeros by Means of Extracted Poles Implemented in Low-Cost Rectangular H-Plane Waveguid

13、e”, IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 53, NO. 5, MAY 2005 1636-1642三階濾波器具有1個零點(diǎn)四階濾波器具有2個零點(diǎn)八階濾波器具有2個零點(diǎn)使用抑制諧振器設(shè)計(jì)雙工器的實(shí)例技術(shù)要求：濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低通帶和高通帶使用同一結(jié)構(gòu)。上通帶濾波器綜合曲線雙工器整體結(jié)構(gòu)雙工器仿真結(jié)果和測試結(jié)果仿真曲線 測試曲線利用非諧振節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)利用非諧振節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)Smain Amari在2004年把非諧振節(jié)（Non-Resonator Node）點(diǎn)引入濾波器設(shè)計(jì)。并在其后發(fā)表了多篇論文介紹引入非諧振節(jié)點(diǎn)后傳輸矩陣的推導(dǎo)方法。使用非諧振節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡單，在波

14、導(dǎo)結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。引入非諧振節(jié)點(diǎn)后N個諧振器可以實(shí)現(xiàn)N個傳輸零點(diǎn)。而不必引入源與負(fù)載耦合。使用非諧振節(jié)點(diǎn)可以很容易地把多個濾波網(wǎng)絡(luò)組合在一起。不會影響各個網(wǎng)絡(luò)的濾波特性。 Smain Amari, Uwe Rosenberg, and Jens Bornemann, “Singlets, Cascaded Singlets, and the Nonresonating Node Model for Advanced Modular Design of Elliptic Filters”，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL

15、. 14, NO. 5, MAY 2004，237-239非諧振節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的原理單諧振腔產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的基本電路非諧振節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的原理用非諧振節(jié)點(diǎn)把單諧振腔連接起來，可以保持原來的傳輸零點(diǎn)和濾波特性。使用非諧振節(jié)點(diǎn)濾波器低通模型Amari, “In-line Pseudoelliptic Band-Reject Filters With Nonresonating Nodes and/or Phase Shifts”, IEEE TRANS ON MTT, VOL. 54, NO. 1, JANUARY 2006, 428-436使用非諧振節(jié)點(diǎn)的3階濾波器結(jié)構(gòu)使用非諧振節(jié)點(diǎn)的3階濾波

16、器測試結(jié)果用非諧振節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)例子S. Cogollos, “Synthesis and Design Procedure for High Performance Waveguide Filters Based on Nonresonating Nodes”，Microwave Symposium, 2007. IEEE/MTT-S International3-8, June 2007 Page(s):1297 - 1300 6階單腔3模濾波器6階單腔3模濾波器測試結(jié)果Amari, “New In-Line Dual- and Triple-Mode Cavity Filters Wi

17、th Nonresonating Nodes”, IEEE TRANS. ON MTT, VOL. 53, NO. 4, APRIL 2005, 1272-1279利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)概述利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的技術(shù)最早在2001年由Marco Guglielmi提出。產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的過模腔體有多種結(jié)構(gòu)。既有使用非簡并模式的過模波導(dǎo)濾波器，也有使用簡并模式的過模波導(dǎo)濾波器。利用過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡單，容易加工的特點(diǎn)。在毫米波波段，具有很好的發(fā)展前景。 M. Guglielmi, P. Jarry, E. Kerherve, O. Roquebrun, and D. Schm

18、itt, “A new family of all-inductive dual-mode filters,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 10, pp. 17641769, Oct. 2001.非簡并模式過模濾波器模型Bornemann, J.; Amari, S.; Vahldieck, R.; “A flexible S-matrix algorithm for the design of folded waveguide filters”，Microwave Conference, 2005 EuropeanVolume

19、 1, 4-6 Oct. 2005 Page(s):4 pp. 非簡并模過模濾波器單元等效電路非簡并模過模濾波器單元電路可以等效成下面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在2次模對應(yīng)的頻率，產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的條件是 與 符號相反。耦合量與耦合孔位置的關(guān)系基模耦合量與耦合孔位置的關(guān)系2次模耦合量與耦合孔位置的關(guān)系3次模非簡并模過模濾波器單元等效電路當(dāng)開口位置靠近1/3處時，對3次模的耦合很小，可以忽略。傳輸零點(diǎn)位于高端。非簡并模過模濾波器單元等效電路當(dāng)開口位置靠近邊緣處時，對基模的耦合較小小，可以忽略。傳輸零點(diǎn)位于低端。非簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)在E面插片波導(dǎo)中，利用過模諧振器也可以產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。Q波段4腔濾波器Fig

20、.4.7(a),f0 = 38.80 GHz, BW = 500MHz and RL = 23 dB Fig.4.7(b), f0 = 39.50 GHz, BW = 500MHz and RL = 23 dB Q波段4腔濾波器仿真結(jié)果Q波段4腔濾波器仿真結(jié)果過模腔體E平面插片濾波器實(shí)物照片使用過模腔體的E平面插片濾波器實(shí)物照片Q波段4腔濾波器測試結(jié)果膜片耦合過模腔體濾波器幾種E面膜片耦合過模濾波器結(jié)構(gòu)Ku波段濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例實(shí)物照片 測試結(jié)果使用多個過模腔體的波導(dǎo)濾波器簡并模過模諧振器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的原理過模諧振器可以等效成下面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Designer 仿真結(jié)果（1）耦合矩陣Designer

21、 仿真結(jié)果（2）耦合矩陣簡并過模諧振腔的耦合矩形波導(dǎo)簡并模的基本理論根據(jù)矩形波導(dǎo)諧振腔的基本理論，先假定 和 工作在同一個頻率，即：其中：a和d分別表示諧振腔的長度和寬度，可以得到：根據(jù)矩形波導(dǎo)諧振頻率的計(jì)算公式，可以得到：如果 和 模，很容易得到：簡并模過模濾波器特性曲線TE102模和TE201模簡并簡并模腔體的濾波特性曲線TE102和TE301簡并兩級簡并模過模濾波器兩級簡并模濾波器級聯(lián)兩級簡并模過模濾波器仿真和測試結(jié)果腔體加介質(zhì)塊的過模濾波器通過在腔體中添加介質(zhì)塊降低簡并模腔體的體積。簡并模腔體中的模式圖簡并模濾波器的仿真和測試結(jié)果消失模濾波器消失模（凋落模）濾波器消失模濾波器是指那些由截止波導(dǎo)構(gòu)造的濾波器。由于在正常狀態(tài)下這些波導(dǎo)中的波導(dǎo)模式不能傳播，所以，被稱為消失模（或凋落模）。消失模波導(dǎo)濾波器具有體積小、無載Q值高、阻帶對高次諧波抑制好的特點(diǎn)。因此，受到微波工程師的重視。消失模濾波器的研究始于上世紀(jì)70年代。關(guān)于消失模濾波器的設(shè)計(jì)方法有很多種，常見的設(shè)計(jì)方法都是以場分析方法為基礎(chǔ)。消失模濾波器有切比雪夫型、橢圓函數(shù)型等。消失模（凋落模）濾波器通常，消失模濾波器的工作頻率范圍100MHz-40GHz。帶寛1%-80%消失模濾波器的類型消失模濾波器的類型消失模濾波器的基本分析方法消失模濾波器設(shè)計(jì)方法與常規(guī)濾波器的設(shè)計(jì)方法類似。消失模濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例P. So