一种交指带通滤波器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种交指滤波器的设计方法，步骤包括采用交指滤波器的准确理论设计频率为0.975～2.025GHz的终端开路式交指型带通滤波器，选择悬置线的基片结构，确定基片参数，编程计算出每级导体杆的长度L[i]，宽度W[i]以及每两个导体杆之间的间距S[i，i+I]，结合ADS软件建模、仿真、优化调整。本发明专利技术提高了效率，设计方法简单，相对带宽可以超过30％，绝对带宽大，可以超过500MHz，体积小成本低，适合工程应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微波无源器件，特别是一种交指带通滤波器的设计方法。
技术介绍
微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的主要技术指标有:中心频率，通带带宽，带内插损，带外抑制，通带波纹等。微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。随着现代微波通信，尤其是卫星通信和移动通信的发展，系统对通道的选择性越来越高，这对微波滤波器的设计提出了更高的要求，而微波滤波器作为通信系统中的重要部分，其性能的优劣往往决定了整个通信系统的质量。因此研究微波滤波器的性能指标和设计方法具有重要意义。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。随着微波技术的进步和发展，无源腔体带通滤波器技术也取得了新的进展，在功能上、性能上、结构上和体积上都有了新的突破。现有无源腔体带通滤波器技术较之以往在结构上更加灵活，多变，但相对带宽都在30％以内，超过30％很难实现，绝对带宽小基本没有超过500MHz，体积大成本高。AnsoftDesigner是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件；它采用了最新的视窗技术，是第一个将高频电路系统,版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的设计工具，这种集成不是简单和界面集成,其关键是AnsoftDesigner独有的“按需求解”的技术,它使你能够根据需要选择求解器,从而实现对设计过程的完全控制。AnsoftDesigner实现了“所见即所得”的自动化版图功能，版图与原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。同时,Ansoft还能方便地与其他设计软件集成到一起，并可以和测试仪器连接，完成各种设计任务，如频率合成器，锁相环，通信系统，雷达系统以及放大器，混频器，滤波器，移相器，功率分配器，合成器和微带天线等。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，电路板和模块设计，部件设计。AnsoftHFSS是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种提高了效率，设计方法简单，相对带宽可以超过30％，绝对带宽大，可以超过500MHz，体积小成本低，适合工程应用的交指带通滤波器的设计方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种交指带通滤波器的设计方法，步骤包括：1)计算终端开路式滤波器的节数：式中：N开路为终端开路式滤波器节数；LAr为通带内分贝波纹；f1为通带截至频率；fa为阻带衰减频率；a＝10Las/20；LAS为阻带衰减值；2)计算每个杆的归一化单位长自电容：C1ϵ=376.7ϵrYA(1-hZ1/ZA)C2ϵ=376.7ϵrYAh(Y2YA)-hC1ϵCkϵ|k=3~n-2=376.7ϵrYAh(YkYA)Cn-1ϵ=376.7ϵrYAh(Yn-1YA)-hCnϵCnϵ=376.7ϵrYA(1-hZn/ZA),---(2)]]>其中，gk为归一化低通原型滤波器元件数值，ω1′＝1；θ1=π2ω1ω0=π2(1-Ω2)Jk,k+1YA|k=2~n-2=g2g0gkgk+1Jn-2,n-1YA=1g0g0g2gn-2gn+1Nk,k+1|k=2~n-2=(Jk,k+1YA)2+(ω1′g2tanθ12g0)2---(3)]]>Z1ZAω1′g0g1tanθ1Y2YA=ω1′g22g0tanθ1+N23-J23YAYkYA=|k=3-n-2=Nk-1,k+Nk,k+1-Jk-1,kYA.-Jk,k+1YAYn-1YA=ω1′(2g0gn-1-g2gn+1)tanθ12g0gn+1+Nn-2,n-1-Jn-2,n-1YAZnZA=ω1′gngn+1tanθ1---(4);]]>3)计算两相邻杆间的归一化单位长互电容：C12ϵ=376.7ϵrYAh(Z1/ZA)Ck,k+1ϵ|k=2~n-2=376.7ϵrYAh(Jk,k+1YA)Cn-1,nϵ=376.7ϵrYA(hZn/ZA),---(5)]]>式(2)和式(5)中ε为介电常数；εr为相对介电常数；h为无量纲的比例因素；4)通过公式：SB=1πln(K2+1K2-1)WkB|k=1-n=12(1-tB)×(C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交指带通滤波器的设计方法，其特征在于步骤包括：1)计算终端开路式滤波器的节数：式中：N开路为终端开路式滤波器节数；LAr为通带内分贝波纹；f1为通带截至频率；fa为阻带衰减频率；a＝10Las/20；LAS为阻带衰减值；2)计算每个杆的归一化单位长自电容：C1ϵ=376.7ϵrYA(1-hZ1/ZA)C2ϵ=376.7ϵrYAh(Y2YA)-hC1ϵCkϵ|k=3-n-2=376.7ϵrYAh(YkYA)Cn-1ϵ=376.7ϵrYAh(Yn-1YA)-hCnϵCnϵ=367.7ϵrYA(1-hZn/ZA),---(2)]]>其中，gk为归一化低通原型滤波器元件数值，ω1′＝1；θ1=π2ω1ω0=π2(1-Ω2)Jk,k+1YA|k=2~n-2=g2g0gkgk+1Jn-2,n-1YA=1g0g0g2gn-2gn+1Nk,k+1|k=2~n-2=(Jk,k+1YA)2+(ω1′g2tanθ12g0)2---(3)]]>Z1ZAω1′g0g1tanθ1Y2YA=ω1′g22g0tanθ1+N23-J23YAYkYA=|k=3-n-2=Nk-1,k+Nk,k+1-Jk-1,kYA.-Jk,k+1YAYn-1YA=ω1′(2g0gn-1-g2gn+1)tanθ12g0gn+1+Nn-2,n-1-Jn-2,n-1YAZnZA=ω1′gngn+1tanθ1---(4);]]>3)计算两相邻杆间的归一化单位长互电容：C12ϵ=376.7ϵrYAh(Z1/ZA)Ck,k+1ϵ|k=2~n-2=376.7ϵrYAh(Jk,k+1YA)Cn-1,nϵ=376.7ϵrYA(hZn/ZA),---(5),]]>式(2)和式(5)中ε为介电常数；εr为相对介电常数；h为无量纲的比例因素；4)通过公式：SB=1πln(K2+1K2-1)WkB|k=1-n=12(1-tB)×(C02ϵ-C′fek-1,kϵ-C′fek,k+1ϵ)L=14×cf0×1ϵr,---(6),]]>Cpϵ=2WB(1-t/B)C′feϵ=Cf×ln(1+tanhθ)π(1-t/B)ln2Cfϵ=Cfπ(1-t/B).---(7),]]>计算出滤波器每一级的几何尺寸S，W，L的值，其中C′f0为奇模边缘电容，C′fe为偶模边缘电容，Cp为平板电容，Cf为边缘电容，B为两边两个接地板的距离，t为中心导带的厚度，W为中心导带的宽度，S为两个导带(谐振器)的间距，c为光速，f0为通带的中心频率，C为光速，f0为通带的中心频率,5)确定滤波器级数的选择和归一化低通原型元件值：选用矩形系数较好的切比雪夫低通原型滤波器来设计，带内的最大衰减值L为0.1.由式(1)可得N开路＝8.则其归一化低通原型滤波器元件值为：：go＝1，gl＝1.189 7，g2＝1.434 6，g3＝2.119 9，g4＝1.6010，g5＝2.169 9，g6＝1.564 0，g7＝1.944 4，g8＝0.877 8，g9＝1.355 4；6)计算导体杆的归一化单位长自电容和归一单位长互电容：对自电容Ck/ε和互电容CK.K‑1/ε，悬置线εrel与带状线εr的转换公式和悬置线εr与带状线εr的转换公式分别为式(8)和(9)所示，ϵre1=Bϵr2bϵr-4(ϵr-1)+0.5---(8)]]>εre 2＝(1+εr)/2    (9)选用的基片材料为聚四氟乙烯，介电常数εr＝2.6，厚度t＝1.6mm，腔高B＝15.8mm，可得到交指型滤波器中每一级导体杆具体的物理几何尺寸参数W[i]，L[i](i＝1～8)和S[i，i+1](i＝1～7)7)基于ADS的5层介质模型的仿真原理建立验证模型：其中ML8CTL—V为非对称8级耦合线模型，每一级耦合杆的参数为W[1]，形C2]，…，形[8]；S[1，2]，S[2，3]，…，S‑PARAMETERS为散射参量[|s]模块，仿真起始频率0.4GHz，终止频率2.6GHz，步长为...

【技术特征摘要】
1.一种交指带通滤波器的设计方法，其特征在于步骤包括：
1)计算终端开路式滤波器的节数：
式中：N开路为终端开路式滤波器节数；LAr为通带内分贝波纹；
f1为通带截至频率；fa为阻带衰减频率；
a＝10Las/20；LAS为阻带衰减值；
2)计算每个杆的归一化单位长自电容：
C1ϵ=376.7ϵrYA(1-hZ1/ZA)C2ϵ=376.7ϵrYAh(Y2YA)-hC1ϵCkϵ|k=3-n-2=376.7ϵrYAh(YkYA)Cn-1ϵ=376.7ϵrYAh(Yn-1YA)-hCnϵCnϵ=367.7ϵrYA(1-hZn/ZA),---(2)]]>其中，gk为归一化低通原型滤波器元件数值，ω1′＝1；
θ1=π2ω1ω0=π2(1-Ω2)Jk,k+1YA|k=2~n-2=g2g0gkgk+1Jn-2,n-1YA=1g0g0g2gn-2gn+1Nk,k+1|k=2~n-2=(Jk,k+1YA)2+(ω1′g2tanθ12g0)2---(3)]]>Z1ZAω1′g0g1tanθ1Y2YA=ω1′g22g0tanθ1+N23-J23YAYkYA=|k=3-n-2=Nk-1,k+Nk,k+1-Jk-1,kYA.-Jk,k+1YAYn-1YA=ω1′(2g0gn-1-g2gn+1)tanθ12g0gn+1+Nn-2,n-1-Jn-2,n-1YAZnZA=ω1′gngn+1tanθ1---(4);]]>3)计算两相邻杆间的归一化单位长互电容：
C12ϵ=376.7ϵrYAh(Z1/ZA)Ck,k+1ϵ|k=2~n-2=376.7ϵrYAh(Jk,k+1YA)Cn-1,nϵ=376.7ϵrYA(hZn/ZA),---(5),]]>式(2)和式(5)中ε为介电常数；εr为相对介电常数；h为无量纲的比例因素；
4)通过公式：
SB=1πln(K2+1K2-1)WkB|k=1-n=12(1-tB)×(C02ϵ...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜兴红，汤山山，
申请(专利权)人：丹阳华神电器有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32