基于非諧振節(jié)點(diǎn)的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

趙 白

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部，河南 鄭州 450008)

基于非諧振節(jié)點(diǎn)的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

趙 白

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部，河南 鄭州 450008)

闡述了基于非諧振節(jié)點(diǎn)的廣義耦合系數(shù)的提取、外部品質(zhì)因數(shù)的理論，并結(jié)合波導(dǎo)濾波器的制作方法，設(shè)計(jì)了一款包含非諧振節(jié)點(diǎn)(NRN)元件的脊型波導(dǎo)濾波器.在結(jié)構(gòu)上對該濾波器進(jìn)行了創(chuàng)新，利用非諧振節(jié)點(diǎn)的方式，在指定頻率點(diǎn)處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，使帶外抑制提高了40 dB，回波損耗也達(dá)到指標(biāo)要求.濾波器選為六階帶通波導(dǎo)濾波器，中心頻率為5 GHz、帶寬為200 MHz，HFSS中的仿真結(jié)果與理想結(jié)果較吻合，證明該設(shè)計(jì)是合理、可行的.

非諧振節(jié)點(diǎn)；耦合系數(shù)提取；外部品質(zhì)因數(shù)；波導(dǎo)濾波器

0 引言

頻率選擇是濾波器所具有的特性，它的性能好壞會直接影響通信系統(tǒng)的整體性能.隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對濾波器的指標(biāo)要求越來越高，因此濾波器對信號必須有更好的選擇性或抑制性，從而使頻譜資源得到較好的利用.傳統(tǒng)的濾波器通過增加階數(shù)的方式提高頻率選擇性，而這樣會增加濾波器的插損和體積.引入傳輸零點(diǎn)的基于非諧振節(jié)點(diǎn)的濾波器在這方面則體現(xiàn)出其優(yōu)越性.在工程設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)或者部分器件的形狀、尺寸都會受到嚴(yán)格限制，傳統(tǒng)的微波濾波器通過在非相鄰諧振器腔體間產(chǎn)生交叉耦合的方式來解決，但這樣也會造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、難于調(diào)試等問題.[1]此外，當(dāng)要求具有較高的頻率值時(shí)，相應(yīng)的濾波器尺寸必須設(shè)計(jì)得較小，由此也會造成工程上的裝配困難、固定其仿真中使用同軸線等問題.針對此類問題，利用非諧振腔結(jié)構(gòu)能夠在有限頻率點(diǎn)處產(chǎn)生最大數(shù)量的傳輸零點(diǎn)而不需要源和負(fù)載的直接耦合，達(dá)到器件尺寸與帶外抑制效果的兼顧.[2-6]同時(shí)，由于傳輸零點(diǎn)的位置可以通過調(diào)節(jié)諧振器的諧振頻率自由地控制，因此該類型的濾波器還具有模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢.本文將非諧振節(jié)點(diǎn)理論應(yīng)用于波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)中，使設(shè)計(jì)的濾波器具有體積小、品質(zhì)因數(shù)高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

1 基本理論

圖1 單腔雙負(fù)載極點(diǎn)提取部分的等效電路

1.1 廣義耦合系數(shù)的提取

圖1給出了一個單腔雙負(fù)載極點(diǎn)提取部分的等效電路，其中J0和JN表示導(dǎo)納變換器，諧振器可以看做是電容與非頻變電納B1并聯(lián)組成的一個整體.而另一個非頻變電納BN表示一個非諧振節(jié)點(diǎn).此電路為帶有單位負(fù)載G的雙負(fù)載電路.利用該電路的對稱性、奇偶模技術(shù)可以用來分析電路的原型.

反射系數(shù)S11表示為

(1)

其中

(2)

而Ω是可以從實(shí)頻f中通過標(biāo)準(zhǔn)的帶通到低通變換的方法得到其低通原型頻率，公式為

(3)

其中f0為所設(shè)計(jì)濾波器的中心頻率，而d(FBW)是相對帶寬.

典型的雙負(fù)載極點(diǎn)提取原型電路的頻率響應(yīng)如圖2所示.原型電路在ΩZ處產(chǎn)生一個傳輸零點(diǎn)，而位于ΩP處產(chǎn)生一個反射零點(diǎn)，計(jì)算公式為：

ΩZ=-B1；

(4)

(5)

(6)

(7)

考慮到公式(4)與(5)，B1和kN可以從實(shí)測或仿真數(shù)據(jù)中提取出來，即：

B1=-ΩZ；

(8)

(9)

從(6)—(9)式可知，若將傳輸零點(diǎn)置于濾波器通帶的上方，那么非諧振節(jié)點(diǎn)的電納值BN的符號為負(fù)，同樣也可以將傳輸零點(diǎn)置于通頻帶的下方，則BN符號為正.同時(shí)，(9)式表明2個本征模之間的空間由廣義耦合系數(shù)kN的絕對值確定.

1.2 外部品質(zhì)因數(shù)

與文獻(xiàn)[1]中的傳統(tǒng)諧振器類似，通過對-3 dB帶寬ΔΩ3dB估計(jì)可以提取出外部品質(zhì)因數(shù).從(1)式可得出當(dāng)|F(Ω3dB)|=1時(shí)，S11的幅值為-3 dB.由此可推導(dǎo)出：

(10)

(11)

圖2 雙負(fù)載極點(diǎn)提取原型電路的頻率響應(yīng)曲線

圖3 廣義外部品質(zhì)因數(shù)的提取

2 波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例

為證明廣義耦合系數(shù)提取技術(shù)的實(shí)用性，設(shè)計(jì)一款帶有2個傳輸零點(diǎn)的六階帶通波導(dǎo)濾波器(見圖4).此濾波器需要滿足以下電氣特性：

(1) 中心頻率為 5 GHz；

(2) 通帶頻率為 4.9～5.1 GHz；

(3) 回波損耗為 20 dB；

(4) 帶外傳輸零點(diǎn)為 4.82，5.18 GHz.

圖4 六階低通原型濾波器拓?fù)鋱D

2.1 綜合技術(shù)

為了綜合滿足以上技術(shù)指標(biāo)的濾波器原型，依據(jù)文獻(xiàn)[2]中提出的應(yīng)用于帶有非諧振節(jié)點(diǎn)濾波器的綜合技術(shù)，可得到耦合矩陣M的表達(dá)式：

(12)

根據(jù)本文中提到的廣義耦合系數(shù)提取方法以及文獻(xiàn)[6]，得到：M11=0.440 6，M22= 1.238 5，M33=1.811 3，M44=0.182 8，M55= -0.179 4，M66=-1.192 3，M77=-1.853 1，M88= -0.428 6，M12=0.739，M23=1.3，M24=0.522 77，M45=0.581 6，M56=0.506 1，M67=1.3，M68= 0.714 5.

2.2 仿真實(shí)現(xiàn)

本文選用波導(dǎo)濾波器[7-8]實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)指標(biāo)，首先根據(jù)文獻(xiàn)[7]中有關(guān)波導(dǎo)濾波器的制作方法并結(jié)合六階低通原型濾波器拓?fù)鋱D得出如圖5所示的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo).然后在HFSS軟件中根據(jù)圖5所示的指標(biāo)得出整體的模擬仿真結(jié)構(gòu)，如圖6所示.根據(jù)文獻(xiàn)[7]在HFSS中建立耦合矩陣元素與圖5所示技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)系，通過改變技術(shù)指標(biāo)各個變量的值，逐漸地逼近耦合元素中的理想值，從而確定模擬仿真圖6中各個變量的實(shí)際值.

圖5 脊型結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)濾波器的技術(shù)指標(biāo)

圖6 HFSS中脊型結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)濾波器仿真模型

各個技術(shù)指標(biāo)在HFSS中設(shè)為變量，經(jīng)過不斷地迭代最終選擇最接近理想耦合矩陣M的技術(shù)指標(biāo)，此時(shí)仿真過程結(jié)束，可將所得的技術(shù)指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)物加工.迭代過后的各個技術(shù)指標(biāo)的值見表1.

表1 HFSS中技術(shù)指標(biāo)長度的最終值 mm

圖7 理想曲線與仿真曲線結(jié)果對比

將表1中確定的尺寸參數(shù)在波導(dǎo)濾波器中進(jìn)行仿真，可得圖7所示的仿真曲線.由圖7可以看出，由于阻帶高低兩端引入傳輸零點(diǎn)，使帶外抑制提高了40 dB，并且回波損耗也達(dá)到20 dB的技術(shù)要求.由理論得到的理想頻率響應(yīng)曲線與HFSS仿真得到的結(jié)果基本吻合.

3 結(jié)論

本文研究了應(yīng)用于諧振節(jié)點(diǎn)與非諧振節(jié)點(diǎn)之間的廣義耦合系數(shù)的提取技術(shù).并且使用這些理論設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)新穎并且無須交叉耦合就可在阻帶高低兩端引入傳輸零點(diǎn)的六階廣義切比雪夫帶通濾波器.此濾波器結(jié)合了模塊化設(shè)計(jì)和波導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢，具有穩(wěn)定、方便、易于調(diào)試以及低損耗、高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn).經(jīng)過HFSS仿真，理論值與仿真結(jié)果基本吻合，證明本文設(shè)計(jì)是正確的，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

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Thedesignofwaveguidefilterbasedonnonresonatingnodes

ZHAO Bai

(Department of Basis，Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou 450008，China)

The theories of extraction of generalized coupling coefficients including nonresonating nodes and external quality factor are introduced.On the basis，a ridge waveguide filter with nonresonating nodes is designed，employing the waveguide filter manufacturing method.This filter is a novel structure which successfully brings in the transmission zero in the certain frequency by nonresonating nodes.This kind of design makes the out of band suppression enhance remarkably，larger than 20 dB，and its return loss meet the qualification which has value in engineering.In this paper，it takes a 6-order waveguide bandpass filter as the example，whose center frequency is 5 GHz and bandwidth is 200 MHz.It is simulated in HFSS，and the simulation results obtained show very good agreement with desirable outcomes，which proves the design is reasonable and feasible.

nonresonating nodes；extraction of coupling coefficients；external quality factor；waveguide filter

1000-1832(2017)04-0054-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.04.011

2016-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61131002).

趙白(1963—)，男，高級講師，主要從事濾波器設(shè)計(jì)研究.

TN 713學(xué)科代碼510·50

A

(責(zé)任編輯：石紹慶)