基于滤波器综合和三次样条插值的滤波器参数确定方法技术

本发明专利技术提出了一种基于滤波器综合和三次样条插值的滤波器参数确定方法，主要解决现有技术求解滤波器电磁参数效率低的问题。其方案是：选取滤波器几何模型，设置其材料和边界条件，生成四面体网格；采用有限元法确定滤波器所有频点第一端口反射系数的幅值；利用滤波器综合方法确定切比雪夫多项式，并用其确定滤波器谐振处的频点；利用三次样条插值确定滤波器各频点的S参数实部、虚部，通过其实部和虚部确定S参数的幅值、相位及Y参数、Z参数的实部、虚部、幅值和相位。本发明专利技术将滤波器综合和三次样条插值结合，能降低对滤波器多个频点逐一求解参数的复杂度和存储资源，提高确定滤波器电磁参数的效率，可用于任意结构和形状的滤波器电磁参数确定。磁参数确定。磁参数确定。

【技术实现步骤摘要】
基于滤波器综合和三次样条插值的滤波器参数确定方法


[0001]本专利技术属于无线数字通信
，特别涉及一种滤波器参数的确定方法，可用于任意结构和形状的滤波器电磁参数确定。

技术介绍

[0002]近年来，随着滤波器的电尺寸和复杂度不断的增加，滤波器单频点的参数确定通常需要消耗巨大的计算机和时间资源，在宽频带内取较多的采样点用与确定滤波器的参数需要付出的代价对于用户而言往往是不能接受的。随着计算机技术的不断发展，数值计算在研究物理问题与模拟工程等领域中起到至关重要的作用。在电磁领域中，计算电磁学成为继实验和理论分析之后的又一重要的研究工具，现有的计算电磁学方法已经可以解决许多科学和实际工程
的电磁仿真问题在有限元数值方法中，频域积分方程因求解精度高、未知量少在对复杂微波器件的电磁响应进行求解中得到广泛的应用，但是计算机的内存有限的问题始终不能解决电尺寸较大的滤波器模型。通过在宽频带上采用插值的方式获取滤波器所有频点的参数被更多的学者所研究。
[0003]何十全等人在其发表的论文《基于稳健自适应频率采样的宽频电磁数值仿真》(电子科技大学，电波科学学报，2014年)中公开了一种用于求解宽频带目标电磁特性的方法。该方法的步骤为，1)建立待求解雷达目标的几何模型，对几何模型进行网格剖分；2)建立两组初始采样序列，通过快速多极子方法求解初始采样序列的电磁特性；3)采用Stoer
‑
Bilirsch插值，分别对两组采样序列分别插值，计算相对误差，获得最大误差点和最大误差；4)将插值序列中不是采样点的极值点和不满足要求的最大误差点加入到采样序列中；5)对插值区域二分加密后继续进行收敛性判断，实现采样数目的增加和插值区间的加密。该方法的不足之处在于：1.对雷达目标特性，仅通过对散射截面RCS随频率变化特性进行插值处理，而未对宽频带滤波器的参数进行快速确定操作。2.由于拟合出一条较为精准的未知曲线需要较多采样点才能实现，因而如果对多条曲线逐一插值操作则需要庞大的计算和存储资源。3.对插值间隔和收敛精度的选择比较敏感，并且对一些有明显零深的点不能很好的进行逼近，易出现伪收敛的情况。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述技术中存在的不足，提出一种基于滤波器综合和三次样条插值的滤波器参数确定方法，以通过滤波器综合确定滤波器大致谐振点位置的方式，避免滤波器参数确定过程中的伪收敛情况，降低对多个频点逐一求解操作所需庞大计算和存储资源，提高确定宽频带滤波器参数的效率。
[0005]实现本专利技术目的的技术思路是：利用有限元方法、滤波器设计和三次样条插值方法的特性，在未知宽频带中所有频点端口响应的情况下，采用分区间拟合、最值判断、误差判断、极值判断和极值左右侧相邻点判断方式逐一增加采样点；通过有限元法确定滤波器新增采样点的电磁参数；通过三次样条插值和滤波器综合相结合，以用较少的采样点重构
宽频带下的电磁响应。
[0006]根据上述思路，本专利技术的技术方案包括如下：
[0007](1)选取金属介质混合结构的待求解电磁特性的滤波器，根据所选结构的设计尺寸，以及不同结构之间边界面的连续性，对所选结构进行几何建模，得到与设计要求相对应的几何模型；
[0008](2)在所选几何模型中的每个几何体上均标记与待求解电磁特性滤波器实际设计要求相应的材料属性，并在所选几何模型中的特殊处理几何面上标记待求解电磁特性滤波器实际设计相应的激励和边界条件；
[0009](3)采用网格生成器，对所选几何模型进行四面体网格剖分，生成所选结构的四面体网格；
[0010](4)确定滤波器所有频点第一端口反射系数S11的幅值信息：
[0011](4a)在求解频域范围内选取两组初始采样频点，利用有限元方法求解初始采样点第一端口的反射系数；
[0012](4b)自适应插值处理确定滤波器所有频点第一端口的反射系数S11的幅值信息；
[0013](4c)通过第一端口反射系数S11的幅值信息确定滤波器综合所需的5个参数，即中心工作频率P、带宽B、品质因数Q、滤波器阶数M、回波损耗R；
[0014](5)求解滤波器谐振处所对应的频点：
[0015](5a)根据4(c)得到的中心工作频率P、带宽B、品质因数Q、滤波器阶数M、回波损耗R，确定与滤波器阶数等阶的切比雪夫多项式F(ω)，其中ω为滤波器的频点信息，ω＝(ω1，
…
,ω
i
，
…
，ω
M
)，其中ω
i
为滤波器第i个频点信息，F(ω)为滤波器第一端口反射系数的理想值；
[0016](5b)求切比雪夫多项式F(ω)的零点，即为滤波器谐振处所对应的频点，并将所求的频点加入到两组采样序列中；
[0017](6)利用有限元法和三次样条插值通过最值判断、误差判断、极值判断和极值左右侧相邻点判断的方式确定滤波器S参数的实部S
r
和虚部S
i
信息；
[0018](7)利用滤波器所有频点的S参数实部Sr和虚部Si信息求解出滤波器的电磁参数：
[0019](7a)求解滤波器S参数的幅值S
m
、相位S
a
信息；
[0020](7b)求解滤波器Y参数的实部Y
r
、虚部Y
i
、幅值Y
m
、相位Y
a
信息；
[0021](7c)求解滤波器Z参数的实部Z
r
、虚部Z
i
、幅值Z
m
、相位Z
a
信息。
[0022]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0023]1.本专利技术由于采用滤波器综合的方法确定滤波器谐振处所对应的频点，并通过有限元法和三次样条插值确定滤波器S参数的实部S
r
和虚部S
i
信息，因而只需要计算滤波器较少的频点数即可拟合出所有频点的信息，克服了现有技术需要计算所有频点电磁参数信息的问题，显著减少了确定滤波器电磁参数所需的时间，提高了滤波器求解电磁参数的效率。
[0024]2.本专利技术由于依次对S参数的实部和虚部进行自适应插值处理，可得到S参数的幅值、相位、Y参数、Z参数这些信息，相较于现有技术仅能得到S参数幅值这一个信息，本专利技术能满足实际工程的需求。
[0025]3.本专利技术由于对极值左右侧相邻点进行判断，可对一些有明显零深的点很好的进行逼近，克服了现有技术因存在伪收敛，对一些有明显零深的点不能很好拟合的问题。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实现总流程图；
[0027]图2为本专利技术中待求解滤波器的模型图；
[0028]图3为本专利技术中待求解滤波器的材料、边界条件、激励设置示意图；
[0029]图4为本专利技术中待求解滤波器模型的四面体网格剖分示意图；
[0030]图5为分别用本专利技术中有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滤波器综合及三次样条插值的滤波器参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选取金属介质混合结构的待求解电磁特性的滤波器，根据所选结构的设计尺寸，以及不同结构之间边界面的连续性，对所选结构进行几何建模，得到与设计要求相对应的几何模型；(2)在所选几何模型中的每个几何体上均标记与待求解电磁特性滤波器实际设计要求相应的材料属性，并在所选几何模型中的特殊处理几何面上标记待求解电磁特性滤波器实际设计相应的激励和边界条件；(3)采用网格生成器，对所选几何模型进行四面体网格剖分，生成所选结构的四面体网格；(4)确定滤波器所有频点第一端口反射系数S11的幅值信息：(4a)在求解频域范围内选取两组初始采样频点，利用有限元方法求解初始采样点第一端口的反射系数；(4b)自适应插值处理确定滤波器所有频点第一端口的反射系数S11的幅值信息；(4c)通过第一端口反射系数S11的幅值信息确定滤波器综合所需的5个参数，即中心工作频率P、带宽B、品质因数Q、滤波器阶数M、回波损耗R；(5)求解滤波器谐振处所对应的频点：(5a)根据4(c)得到的中心工作频率P、带宽B、品质因数Q、滤波器阶数M、回波损耗R，确定与滤波器阶数等阶的切比雪夫多项式F(ω)，其中ω为滤波器的频点信息，ω＝(ω1，
…
,ω
i
，
…
，ω
M
)，其中ω
i
为滤波器第i个频点信息，F(ω)为滤波器第一端口反射系数的理想值；(5b)求解切比雪夫多项式F(ω)的零点，即为滤波器谐振处所对应的频点，并将所求的频点加入到两组采样序列中；(6)利用有限元法和三次样条插值通过最值判断、误差判断、极值判断和极值左右侧相邻点判断的方式确定滤波器S参数的实部S
r
和虚部S
i
信息；(7)利用滤波器所有频点的S参数实部Sr和虚部Si信息求解出滤波器的电磁参数：(7a)求解滤波器S参数的幅值S
m
、相位S
a
信息；(7b)求解滤波器Y参数的实部Y
r
、虚部Y
i
、幅值Y
m
、相位Y
a
信息；(7c)求解滤波器Z参数的实部Z
r
、虚部Z
i
、幅值Z
m
、相位Z
a
信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中在所选几何模型中的每个几何体上均标记与待求解电磁特性滤波器实际设计要求相应的材料属性，是将滤波器的主体结构设置为均匀介质材料，将同轴内芯结构设置为理想电导体材料。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中在所选几何模型中在特殊处理的几何面上标记待求解电磁特性滤波器实际设计相应的激励和边界条件，是将两个同轴底面设置为同轴波端口激励，几何结构最外侧以及同轴结构的内侧面和外侧面设置为PrefectE边界条件。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中对所选几何模型进行四面体网格剖分，生成所选结构的四面体网格，是对几何模型的不同材料区域进行不同的处理，即对几何模型的介质结构所在区域使用四面体进行区域填充，对几何模型理想电导体结构区域
不进行区域填充，生成所选滤波器结构的四面体网格。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4a)中对利用有限元方法确定初始采样频率第一端口反射系数S11的幅值信息,实现如下：(4a1)选取两组初始采样频率序列d1和d2：d1＝(Fmax
‑
Fmin)/(n
‑
1)，d2＝(Fmax
‑
Fmin)/(2n
‑
1)，其中，Fmin是滤波器宽频带内的最小频率，Fmax是滤波器宽频带内的最大频率，n是第一组采样序列的采样点数；(4a2)创建存储滤波器频率信息的em文件，将两组初始采样序列d1和d2依次输入到em文件中，读取em文件并通过有限元方法对其进行求解，分别输出这两组初始采样序列的第一端口反射系数S11和传输系数S21的实部、虚部、幅值信息。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4b)中对自适应插值处理确定滤波器所有频点第一端口的反射系数S11的幅值信息，实现如下：(4b1)确定两组插值采样频率序列d3和d4：d3＝(Fmax
‑
Fmin)/(N
‑
1)，d4＝(Fmax
‑
Fmin)/(N
‑
1)，其中，N是插值采样序列的采样点数，Fmin是滤波器宽频带内的最小频率，Fmax是滤波器宽频带内的最大频率；(4b2)对第一组初始采样序列d1利用三次样条插值的分区间拟合确定第一组插值采样序列d3第一端口反射系数S11的幅值信息；(4b3)对第二组初始采样序列d2利用三次样条插值的分区间拟合确定第二组插值采样序列d4第一端口反射系数S11的幅值信息；(4b4)判断第二组插值采样序列d4第一端口反射系数S11幅值信息的最小值和最大值对应的频率点是否在两组采样序列d1和d2中已存在：如果不存在，则将对应的频率点加入到两组初始采样序列d1和d2中；如果存在，则执行(4b5)；(4b5)计算两组插值采样序列d3和d4的相对误差e：e＝|(R
n
‑
R
2n
)/R
2n
|其中，R
n
表示第一组插值采样序列d3的第一端口反射系数S11的幅值信息，R
2n
表示第二组插值采样序列d4的第一端口反射系数S11的幅值信息；(4b6)设置误差阈值ε为0.4，判断e＜ε是否成立：如果不成立，将最大相对误差反射系数幅值信息对应的频率点加入到两组初始采样序列d1和d2中；如果成立，则执行(4b7)；(4b7)判断第二组插值采样序列d4第一端口反射系数S11幅值信息的极值以及极值左右侧相邻点对应的频率点是否在两组采样序列d1和d2已存在：如果不存在，则将对应的频率点加入到两组初始采样序列d1和d2中；如果存在，则执行(4b8)；(4b8)对第二组初始采样序列d2利用三次样条插值的分区间拟合确定第二组插值采样
序列d4第一端口反射系数S11的幅值信息。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4c)中对通过第二组插值采样序列d4第一端口反射系数S11的幅值信息确定滤波器综合所需的5个参数，实现如下：确定中心工作频率：P＝(Fmin+Fmax)/2，其中，Fmin是滤波器宽频带内的最小频率，Fmax是滤波器宽频带内的最大频率；确定带宽B：其为第二组插值采样序列d4第一端口反射系数S11的幅值信息在
‑
3dB处的频率差值；确定品质因数Q，其为表征滤波器滤除干扰信号的能力，取...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵勋旺，穆泽鑫，张玉，林中朝，祝森郁，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：