现代滤波器设计讲座广义切比雪夫滤波器的电路仿真.pptx

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1、大纲前言广义切比雪夫滤波器串联谐振电路的仿真模型广义切比雪夫滤波器并联谐振电路的仿真模型计算实例源与负载直接耦合滤波器电路模型含非谐振节点的滤波器电路模型含高次模节点的滤波器电路模型几种复杂结构的广义切比雪夫滤波器电路模型源与负载为复阻抗的广义切比雪夫滤波器电路模型多通带广义切比雪夫滤波器电路模型第1页/共121页电路仿真的意义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。通过电路模型，可以对滤波器的拓扑结构和几何尺寸进行优化。可以缩短研制周期。第2页/共121页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第3页/共1

2、21页正交耦合滤波器的串联型等效电路模型 第4页/共121页正交耦合滤波器 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。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。第5页/共121页3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 第6页/共121页3腔正交耦合滤波器的电路模型 第7页/共121页K变换器的等效电路 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，

3、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的（b）。图三、K变换器的等效电路 第8页/共121页3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第9页/共121页3腔正交耦合滤波器的电路方程第10页/共121页矩阵形式的电路方程或，上述方程可以写成如下的矩阵形式：其中，是的阻抗矩阵。第11页/共121页阻抗矩阵第12页/共121页0第13页/共121页第14页/共121页第15页/共121页第16页/共121页归一化阻抗矩阵归一化阻抗矩阵可以写成下面的形式，第17页/共121页n腔正交耦合滤波器矩阵方程的一般形式 第18页/共1

4、21页低通原型和带通滤波器之间的变换低通到带通的频率变换式为：其中，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。第19页/共121页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 第20页/共121页第21页/共121页包括源与负载耦合的滤波器电路方程正交耦合滤波器电路方程的一般形式 其中：或第22页/共121页包括源与负载耦合的滤波器的归一化耦合矩阵第23页/共121页n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系腔体之间的耦合腔体与源或负载之间的耦合源与负载之间的耦合腔体谐振频率第24页/共121页n在电路中用电长

5、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K变换器？ZinZLZ0第25页/共121页仿真用电路软件的选择在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。ADS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。Ansoft 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变量，随着扫描频率变化。Ansoft Designer中理想传输线段的特性阻抗值可以为负值。第26页/共121页串联谐振等效电路模型4阶交叉耦合滤波器中心频率：7

6、.5GHz带寛：25MHz腔体Q值：4000反射损耗：-20dB第27页/共121页串联谐振等效电路模型电路模型第28页/共121页计算结果S参数：第29页/共121页计算结果群时延第30页/共121页计算结果腔体储能第31页/共121页正交耦合滤波器的并联型等效电路模型 第32页/共121页正交耦合滤波器的并联型等效电路模型 第33页/共121页正交耦合滤波器的并联型等效电路模型 图七、三腔正交耦合滤波器的并联谐振回路电路模型 第34页/共121页导纳变换器J图八、导纳变换器及其等效电路 第35页/共121页三腔正交耦合滤波器的并联谐振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

7、效电路 第36页/共121页电路方程第37页/共121页矩阵形式电路方程或第38页/共121页第39页/共121页N腔正交耦合滤波器第40页/共121页N腔正交耦合滤波器第41页/共121页端口归一化图十、三腔正交耦合滤波器归一化等效电路模型 第42页/共121页源和负载与腔体之间的耦合系数第43页/共121页归一化耦合系数与电路参数之间的关系腔体之间的耦合腔体与源或负载之间的耦合源与负载之间的耦合腔体的实际谐振频率n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。第44页/共121页n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 J 变换器？ZinZL

8、Z0第45页/共121页并谐振等效电路模型4阶交叉耦合滤波器中心频率：7.5GHz带寛：25MHz腔体Q值：4000反射损耗：-20dB第46页/共121页并联谐振等效电路模型电路模型第47页/共121页计算结果S参数：第48页/共121页计算结果群时延第49页/共121页计算结果腔体储能第50页/共121页更多的计算实例 第51页/共121页例一、3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第52页/共121页综合以后的结果第53页/共121页存在的问题工作带宽有一点偏；综合以前对带外的抑制特性不太明确；综合产生的耦合系数在物

9、理上能否实现不了解；综合的结果不一定是唯一的。因此，需要用优化方法对综合以后的结果进行筛选和修正。第54页/共121页优化前后的比较优化后的结果优化前的结果第55页/共121页新的耦合矩阵新矩阵新矩阵旧矩阵旧矩阵第56页/共121页化简拓扑结构第57页/共121页新的耦合矩阵源负载第58页/共121页优化结果第59页/共121页例二、包含源与负载耦合的例子Smain Amari，“Adaptive Synthesis and Design of Resonator Filters With Source/Load-Multiresonator Coupling”，IEEE TRANSACTIO

10、NS 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;第60页/共121页资料的仿真结果第61页/共121页Designer的仿真结果第62页/共121页例三、带阻滤波器的例子（同轴线连接）Richard J.Cameron,Ying Wang and Ming Yu，“Direct-Coupled Realizations for Microwave Bandstop

11、Filters”，2005第63页/共121页计算结果第64页/共121页例四、带抑制谐振器的滤波器第65页/共121页文献结果第66页/共121页计算结果第67页/共121页例五、含非谐振结点的滤波器电路仿真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。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。这种结构的实现得益于推出了它的电路模型。第68页/共121页一个Combline Filter的例子Smain Amari,“Synthesis of Inline Filters With Arbitrarily Placed Attenuation

12、 Poles by Using Nonresonating Nodes”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.53,NO.10,OCTOBER 2005，P3075-3081第69页/共121页资料给出的参数第70页/共121页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 TE

13、CHNIQUES,VOL.52,NO.2,FEBRUARY 2004，P 721-736第71页/共121页计算结果第72页/共121页仿真电路图非谐振节点不含电抗分量第73页/共121页仿真结果S参数第74页/共121页仿真结果群时延第75页/共121页仿真结果各个腔体的储能第76页/共121页例六、含高阶谐振器的滤波器仿真这个概念是Amari在2005年提出的。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。第77页/共121页例六、含高阶谐振器的滤波器仿真Marjan Mokhtaari,Jens Bornem

14、ann and Smain Amari，“Advanced Filter Design Using Cross-CoupledNetworks With Higher-Order Resonances”，in Proc.,35th Eur.Microw.Conf.,Paris,France,Oct.2005,P1423-1426第78页/共121页拓扑结构和耦合矩阵第79页/共121页仿真电路第80页/共121页S参数仿真结果第81页/共121页仿真结果各个腔体的储能第82页/共121页仿真结果各个腔体的储能第83页/共121页仿真结果群时延第84页/共121页例七、箱形滤波器的等效电路Ric

15、hard J.CameronRichard J.Cameron,“,“Advanced Coupling Matrix Synthesis TechniquesAdvanced Coupling Matrix Synthesis Techniquesfor Microwave Filtersfor Microwave Filters”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.51,NO.1,JANUARY 2003 1THEORY AND TECHNIQUES

16、,VOL.51,NO.1,JANUARY 2003 1，p1-p1-1010第85页/共121页仿真电路第86页/共121页仿真结果S参数第87页/共121页仿真结果各个腔体储能第88页/共121页仿真结果群时延第89页/共121页另外一个箱形滤波器的例子第90页/共121页资料上计算结果第91页/共121页滤波器等效电路第92页/共121页仿真结果S参数第93页/共121页仿真结果各个腔体储能第94页/共121页仿真结果群时延第95页/共121页例八、异形结构滤波器第96页/共121页资料的计算结果第97页/共121页滤波器等效电路第98页/共121页仿真结果S参数第99页/共121页仿真结

17、果各个腔体储能第100页/共121页仿真结果群时延第101页/共121页例九、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，P1139-1152第102页/共121页S参数结果完全相同，损耗也相同。第103页/共121页两种结构的群时延

18、也相同群时延第104页/共121页但是，腔体储能不同。串联结构腔体储能第105页/共121页腔体储能不同。并联结构腔体储能第106页/共121页例十、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 2004P1464-1477第107页/共121页文献给出的结果第108页/共121页Desi

19、gner 电路图第109页/共121页Designer仿真结果S参数第110页/共121页Designer仿真结果群时延第111页/共121页Designer仿真结果各个腔体的储能第112页/共121页另外源和负载都为复数的例子第113页/共121页Designer 电路图第114页/共121页Designer仿真结果S参数第115页/共121页Designer仿真结果群时延第116页/共121页Designer仿真结果各个腔体的储能第117页/共121页例十一、双通带滤波器的仿真结果设计一个用于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。第118页/共121页仿真结果第119页/共121页谢谢！第120页/共121页感谢您的观看！第121页/共121页