基于非諧振節點的波導濾波器設計

趙 白

(河南水利與環境職業學院基礎部，河南 鄭州 450008)

基于非諧振節點的波導濾波器設計

趙 白

(河南水利與環境職業學院基礎部，河南 鄭州 450008)

闡述了基于非諧振節點的廣義耦合系數的提取、外部品質因數的理論，并結合波導濾波器的制作方法，設計了一款包含非諧振節點(NRN)元件的脊型波導濾波器.在結構上對該濾波器進行了創新，利用非諧振節點的方式，在指定頻率點處產生傳輸零點，使帶外抑制提高了40 dB，回波損耗也達到指標要求.濾波器選為六階帶通波導濾波器，中心頻率為5 GHz、帶寬為200 MHz，HFSS中的仿真結果與理想結果較吻合，證明該設計是合理、可行的.

非諧振節點；耦合系數提取；外部品質因數；波導濾波器

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的整體性能.隨著信息技術的發展，對濾波器的指標要求越來越高，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.傳統的濾波器通過增加階數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.引入傳輸零點的基于非諧振節點的濾波器在這方面則體現出其優越性.在工程設計中，系統整體結構或者部分器件的形狀、尺寸都會受到嚴格限制，傳統的微波濾波器通過在非相鄰諧振器腔體間產生交叉耦合的方式來解決，但這樣也會造成結構不穩定、難于調試等問題.[1]此外，當要求具有較高的頻率值時，相應的濾波器尺寸必須設計得較小，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，利用非諧振腔結構能夠在有限頻率點處產生最大數量的傳輸零點而不需要源和負載的直接耦合，達到器件尺寸與帶外抑制效果的兼顧.[2-6]同時，由于傳輸零點的位置可以通過調節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計的優勢.本文將非諧振節點理論應用于波導濾波器設計中，使設計的濾波器具有體積小、品質因數高、穩定性好等優點，具有一定的應用價值.

1 基本理論

圖1 單腔雙負載極點提取部分的等效電路

1.1 廣義耦合系數的提取

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

反射系數S11表示為

(1)

其中

(2)

而Ω是可以從實頻f中通過標準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為所設計濾波器的中心頻率，而d(FBW)是相對帶寬.

典型的雙負載極點提取原型電路的頻率響應如圖2所示.原型電路在ΩZ處產生一個傳輸零點，而位于ΩP處產生一個反射零點，計算公式為：

ΩZ=-B1；

(4)

(5)

(6)

(7)

考慮到公式(4)與(5)，B1和kN可以從實測或仿真數據中提取出來，即：

B1=-ΩZ；

(8)

(9)

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

1.2 外部品質因數

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

(10)

(11)

圖2 雙負載極點提取原型電路的頻率響應曲線

圖3 廣義外部品質因數的提取

2 波導濾波器的設計實例

為證明廣義耦合系數提取技術的實用性，設計一款帶有2個傳輸零點的六階帶通波導濾波器(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) 帶外傳輸零點為 4.82，5.18 GHz.

圖4 六階低通原型濾波器拓撲圖

2.1 綜合技術

為了綜合滿足以上技術指標的濾波器原型，依據文獻[2]中提出的應用于帶有非諧振節點濾波器的綜合技術，可得到耦合矩陣M的表達式：

(12)

根據本文中提到的廣義耦合系數提取方法以及文獻[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 仿真實現

本文選用波導濾波器[7-8]實現以上技術指標，首先根據文獻[7]中有關波導濾波器的制作方法并結合六階低通原型濾波器拓撲圖得出如圖5所示的脊型波導結構技術指標.然后在HFSS軟件中根據圖5所示的指標得出整體的模擬仿真結構，如圖6所示.根據文獻[7]在HFSS中建立耦合矩陣元素與圖5所示技術指標之間的關系，通過改變技術指標各個變量的值，逐漸地逼近耦合元素中的理想值，從而確定模擬仿真圖6中各個變量的實際值.

圖5 脊型結構的波導濾波器的技術指標

圖6 HFSS中脊型結構的波導濾波器仿真模型

各個技術指標在HFSS中設為變量，經過不斷地迭代最終選擇最接近理想耦合矩陣M的技術指標，此時仿真過程結束，可將所得的技術指標作為標準進行實物加工.迭代過后的各個技術指標的值見表1.

表1 HFSS中技術指標長度的最終值 mm

圖7 理想曲線與仿真曲線結果對比

將表1中確定的尺寸參數在波導濾波器中進行仿真，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，使帶外抑制提高了40 dB，并且回波損耗也達到20 dB的技術要求.由理論得到的理想頻率響應曲線與HFSS仿真得到的結果基本吻合.

3 結論

本文研究了應用于諧振節點與非諧振節點之間的廣義耦合系數的提取技術.并且使用這些理論設計了一款結構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的六階廣義切比雪夫帶通濾波器.此濾波器結合了模塊化設計和波導濾波器的優勢，具有穩定、方便、易于調試以及低損耗、高品質因數的特點.經過HFSS仿真，理論值與仿真結果基本吻合，證明本文設計是正確的，具有一定的工程應用價值.

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[8] 王勝.新型太赫茲波導濾波器的研究[D].成都：電子科技大學，2014.

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

國家自然科學基金資助項目(61131002).

趙白(1963—)，男，高級講師，主要從事濾波器設計研究.

TN 713學科代碼510·50

A

(責任編輯：石紹慶)