現(xiàn)代濾波器設(shè)計講座-廣義切比雪夫濾波器的電路仿真

1、廣義切比雪夫濾波器的電路仿真,大綱,前言廣義切比雪夫濾波器串聯(lián)諧振電路的仿真模型廣義切比雪夫濾波器并聯(lián)諧振電路的仿真模型計算實例源與負載直接耦合濾波器電路模型含非諧振節(jié)點的濾波器電路模型含高次模節(jié)點的濾波器電路模型幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的廣義切比雪夫濾波器電路模型源與負載為復(fù)阻抗的廣義切比雪夫濾波器電路模型多通帶廣義切比雪夫濾波器電路模型,電路仿真的意義,電路模型反映了濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)。通過電路模型可以建立幾何結(jié)構(gòu)與濾波器參數(shù)之

2、間的聯(lián)系。通過電路模型，可以對濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)和幾何尺寸進行優(yōu)化?？梢钥s短研制周期。,廣義切比雪夫濾波器的等效電路,圖一、A. E. Atia的 n 腔耦合濾波器等效電路模型,正交耦合濾波器的串聯(lián)型等效電路模型,正交耦合濾波器,一個諧振腔既可以用串聯(lián)諧振回路表示也可以用并聯(lián)諧振回路表示。當我們使用串聯(lián)諧振回路表示諧振腔時，腔之間的耦合用K變換器表示。當我們使用并聯(lián)諧振回路表示諧振腔時，腔之間的耦合用J變換器表示。 我們先考慮一個不

3、包括源和負載耦合三腔正交耦合濾波器。,3腔正交耦合濾波器的電路模型,圖二、3腔正交耦合濾波器的電路模型,,3腔正交耦合濾波器的電路模型,,,,K變換器的等效電路,根據(jù)電路理論，阻抗變換器可以用一個具有電抗特性的T形網(wǎng)絡(luò)表示。T型網(wǎng)絡(luò)電抗元件的電抗值就是它們的變比。如果是磁耦合，K變換器的等效電路為圖中的（a）。如果是電耦合，K變換器的等效電路為圖中的（b）。,圖三、K變換器的等效電路,3腔正交耦合濾波器的等效電路模型,,圖四、3腔正交耦

4、合濾波器的串聯(lián)諧振回路等效電路模型,3腔正交耦合濾波器的電路方程,,矩陣形式的電路方程,,,或，,上述方程可以寫成如下的矩陣形式 ：,其中，,是,的阻抗矩陣。,阻抗矩陣,,,,,歸一化阻抗矩陣,歸一化阻抗矩陣可以寫成下面的形式，,,n腔正交耦合濾波器矩陣方程的一般形式,,,,低通原型和帶通濾波器之間的變換,低通到帶通的頻率變換式為：其中， 分別為上下邊帶頻率； 為通帶中心頻率； 為分數(shù)

5、帶寛。 是歸一化頻率。,濾波網(wǎng)絡(luò)對端口歸一化,,,,,,,,,,,,圖六、三腔正交耦合濾波器歸一化等效電路模型,包括源與負載耦合的濾波器電路方程,,,正交耦合濾波器電路方程的一般形式,,其中：,或,包括源與負載耦合的濾波器的歸一化耦合矩陣,,腔體的等效電容腔體的等效阻抗其中， 是腔體品質(zhì)因數(shù)。,歸一化耦合系數(shù)與電路參數(shù)的關(guān)系,腔體之間的耦合腔體與源或負載之間的耦合源與負載之間的耦合腔體諧振頻率

6、,,在電路中用電長度為90度，特性阻抗值為K的理想傳輸線段表示K變換器。,,用什么表示K變換器？,,,,,,,,,,Zin,ZL,,Z0,,,,,,仿真用電路軟件的選擇,在ADS和Microwave Office軟件中電長度為90度的理想傳輸線段對應(yīng)的頻率是一個固定值。ADS和Microwave Office中理想傳輸線段的特性阻抗值不能為負值。當耦合系數(shù)為負時，只能將傳輸線電長度設(shè)為-90度。Ansoft Designer中電長度

7、為90度的理想傳輸線段所對應(yīng)的頻率可以是一個變量，隨著掃描頻率變化。Ansoft Designer中理想傳輸線段的特性阻抗值可以為負值。,串聯(lián)諧振等效電路模型,4階交叉耦合濾波器中心頻率：7.5GHz帶寛：25MHz腔體Q值：4000反射損耗：-20dB,串聯(lián)諧振等效電路模型,電路模型,計算結(jié)果,S參數(shù)：,計算結(jié)果,群時延,計算結(jié)果,腔體儲能,正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效電路模型,正交耦合濾波器的并聯(lián)型等效電路模型,正交耦合濾波

8、器的并聯(lián)型等效電路模型,,圖七、三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路電路模型,導(dǎo)納變換器J,圖八、導(dǎo)納變換器及其等效電路,三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路等效電路模型,,圖九、三腔正交耦合濾波器的并聯(lián)諧振回路等效電路,電路方程,,矩陣形式電路方程‘,或,,,,N腔正交耦合濾波器,,,N腔正交耦合濾波器,端口歸一化,,圖十、三腔正交耦合濾波器歸一化等效電路模型,源和負載與腔體之間的耦合系數(shù),歸一化耦合系數(shù)與電路參數(shù)之間的關(guān)系,腔體之間的耦合

9、腔體與源或負載之間的耦合源與負載之間的耦合腔體的實際諧振頻率,,腔體的等效電容腔體的等效導(dǎo)納其中， 是腔體品質(zhì)因數(shù)。,在電路中用電長度為90度，特性阻抗值為J的理想傳輸線段表示J變換器。,,用什么表示 J 變換器？,,,,,,,,,,Zin,ZL,,Z0,,,,,,串聯(lián)諧振等效電路模型,4階交叉耦合濾波器中心頻率：7.5GHz帶寛：25MHz腔體Q值：4000反射損耗：-20dB,串聯(lián)諧振等效電

10、路模型,電路模型,計算結(jié)果,S參數(shù)：,計算結(jié)果,群時延,計算結(jié)果,腔體儲能,更多的計算實例,例一、 3腔濾波器的優(yōu)化,倪大寧，“源-負載耦合交叉耦合濾波器綜合與設(shè)計”，西安電子科技大學，碩士學位論文，2007.1,綜合以后的結(jié)果,存在的問題,工作帶寬有一點偏；綜合以前對帶外的抑制特性不太明確；綜合產(chǎn)生的耦合系數(shù)在物理上能否實現(xiàn)不了解；綜合的結(jié)果不一定是唯一的。因此，需要用優(yōu)化方法對綜合以后的結(jié)果進行篩選和修正。,優(yōu)化前后的比較,

11、,優(yōu)化后的結(jié)果,,,優(yōu)化前的結(jié)果,,新的耦合矩陣,新矩陣,舊矩陣,化簡拓撲結(jié)構(gòu),新的耦合矩陣,,,,,,,,,,,,,,,,源,負載,優(yōu)化結(jié)果,例二、包含源與負載耦合的例子,Smain Amari，“Adaptive Synthesis and Design of Resonator Filters With Source/Load-Multiresonator Coupling”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROW

12、AVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 8, AUGUST 2002， P 1696-1978,中心頻率：26.453GHz; 帶寬：41MHz零點頻率：f1=26.323GHz; f2=26.524GHz; f1=26.607GHz;,資料的仿真結(jié)果,Designer的仿真結(jié)果,,例三、帶阻濾波器的例子（同軸線連接）,Richard J. Cameron, Ying Wang and M

13、ing Yu， “Direct-Coupled Realizations for Microwave Bandstop Filters”，2005,計算結(jié)果,例四、帶抑制諧振器的濾波器,文獻結(jié)果,計算結(jié)果,例五、含非諧振結(jié)點的濾波器電路仿真,把非諧振節(jié)點應(yīng)用在濾波器設(shè)計中是Amari等人在2004年提出的。在不存在源與負載耦合的條件下，也可以實現(xiàn)最大數(shù)量為N的有限頻率傳輸零點。這種結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)得益于推出了它的電路模型。,一個Combl

14、ine Filter的例子,Smain Amari, “Synthesis of Inline Filters With Arbitrarily Placed Attenuation Poles by Using Nonresonating Nodes”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 10, OCTOBER 2005， P3075-

15、3081,資料給出的參數(shù),含非諧振結(jié)點的電路模型,Smain Amari,” New Building Blocks for Modular Design of Elliptic and Self-Equalized Filters”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 52, NO. 2, FEBRUARY 2004，P 721-736,計算結(jié)果,仿真電

16、路圖,非諧振節(jié)點不含電抗分量,仿真結(jié)果,S參數(shù),仿真結(jié)果,群時延,仿真結(jié)果,各個腔體的儲能,例六、含高階諧振器的濾波器仿真,這個概念是Amari在2005年提出的。它的主要優(yōu)勢在多通帶濾波器。在低通帶，高階腔體可作為低階腔體的非諧振節(jié)點。反之，在高通帶，低階腔體可作為高階腔體的非諧振節(jié)點。,例六、含高階諧振器的濾波器仿真,Marjan Mokhtaari, Jens Bornemann and Smain Amari，“Advance

17、d Filter Design Using Cross-CoupledNetworks With Higher-Order Resonances”， in Proc., 35th Eur.Microw. Conf.,Paris, France, Oct. 2005, P1423-1426,拓撲結(jié)構(gòu)和耦合矩陣,仿真電路,,S參數(shù)仿真結(jié)果,仿真結(jié)果,各個腔體的儲能,仿真結(jié)果,各個腔體的儲能,仿真結(jié)果,群時延,例七、箱形濾波器的等效電路,R

18、ichard J. Cameron, “Advanced Coupling Matrix Synthesis Techniquesfor Microwave Filters”， IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 1, JANUARY 2003 1， p1-10,仿真電路,,仿真結(jié)果,S參數(shù),仿真結(jié)果,各個腔體儲能,仿真結(jié)果,群時延,另外

19、一個箱形濾波器的例子,資料上計算結(jié)果,濾波器等效電路,,仿真結(jié)果,S參數(shù),仿真結(jié)果,各個腔體儲能,仿真結(jié)果,群時延,例八、異形結(jié)構(gòu)濾波器,資料的計算結(jié)果,濾波器等效電路,,仿真結(jié)果,S參數(shù),仿真結(jié)果,各個腔體儲能,仿真結(jié)果,群時延,例九、串行與并行電路的比較,Smain Amari,” Physical Interpretation and Implications of Similarity Transformations in Co

20、upled Resonator Filter Design”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2007， P1139-1152,S參數(shù)結(jié)果完全相同，損耗也相同。,兩種結(jié)構(gòu)的群時延也相同,群時延,但是，腔體儲能不同。,串聯(lián)結(jié)構(gòu)腔體儲能,腔體儲能不同。,并聯(lián)結(jié)構(gòu)腔體儲能,例十、含移相段的電路仿真,Smain Amari, “

21、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 2004P1464-1477,文獻給出的結(jié)果,Designer 電路圖,Designer仿真結(jié)果,S參數(shù),Desi

22、gner仿真結(jié)果,群時延,Designer仿真結(jié)果,各個腔體的儲能,另外源和負載都為復(fù)數(shù)的例子,Designer 電路圖,Designer仿真結(jié)果,S參數(shù),Designer仿真結(jié)果,群時延,Designer仿真結(jié)果,各個腔體的儲能,例十一、雙通帶濾波器的仿真結(jié)果,設(shè)計一個用于CDMA的濾波器，其工作的雙通帶分別為：825-835MHz、870-880MHz,則其中心頻率=852MHz，帶內(nèi)衰減小于1.5dB，0.78 GHz以下及0.9