一种基于N+2耦合理论的集总窄带IPD滤波器的设计方法技术

一种基于N+2耦合理论的集总窄带IPD滤波器的设计方法，本发明专利技术为了解决现有计算传输零点位置的方法难以适用于IPD工艺，难以迅速给出元件值等问题。设计方法：一、对导纳矩阵方程式进行带通频率变换；二、设耦合滤波网络中谐振器i与谐振器k的交叉耦合因子为M

【技术实现步骤摘要】
一种基于N+2耦合理论的集总窄带IPD滤波器的设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于N+2耦合矩阵的集总元件窄带IPD滤波器设计方法，无需经过复杂的优化过程，就可获得性能优越的窄带滤波器，该方法能实现标准化、模块化设计。

技术介绍

[0002]近20年以来，随着集成无源器件技术(Integrated Passive Device,IPD)作为一种极佳的生产工艺被专利技术出来，越来越多的微波器件，微波模块以更加紧凑的形式，更加优良的特性展现给世人，已经成为主流无源微波器件生产工艺之一。大量基于IPD工艺的微波滤波器工作也被人们持续的报道。在相同阶数下，设计出具有更良好的矩形系数以及较宽的带外抑制范围的滤波器拓扑结构，以及该拓扑结构下各元件值的计算方法始终是滤波器设计人员的研究重点。混合电磁耦合、交叉耦合、复合谐振器级联均是集总滤波器比较常见的拓扑结构。他们的目的均是希望在阻带处形成传输零点，进而获得更好的滤波效果。计算传输零点位置的方法有三类：微波网络法、电磁耦合法、奇偶模阻抗法。后两者分析方法主要应用于混合电磁耦合滤波器当中。微波网络法是让S
21
参数等于零，建立起元件值与传输零点频率的数学关系。除此之外，由于散射矩阵与阻抗矩阵，导纳矩阵有着式(1)的变换关系，同样也可以根据Z
21
＝0；Y
21
＝0等方式求解。根据拓扑结构的特点选择易于求解的矩阵进行分析。电磁耦合法一般是通过全波电磁仿真的方法计算得出电偶和与磁耦合的强度随着频率变换的情况，二者幅度相等的频点就是电磁耦合效果恰好抵消的频点，即是传输零点频率。奇偶模阻抗法则是从集总元件的等效电路的角度来分析，当二端口网络有着较强的对称性时，该方法十分的便捷巧妙。奇模阻抗表示着当输入输出接入差模信号时，二端口网络的输出阻抗；偶模阻抗标志着当输入输出接入共模信号时，二端口网络的输出阻抗。分别计算在这两种激励下输出端口的反射系数，见式(2)和式(3)。当这两个反射系数恰好相等时，表示着在输入端口提供激励时，没有任何能量从输出端口流出，两个端口处于完全隔离的状态。因此只需要根据拓扑结构将奇偶模阻抗列写出来，使二者相等，就可以求解出传输零点与元件值的数学关系。这三种方法一般是针对拓扑结构确定下来时计算传输零点的办法，在滤波器的阶数小于三阶时，这种方法还是相对比较实用的。
[0003][0004][0005][0006]其中Z
21
代表端口2开路时正向转移阻抗，Z
outo
代表偶模阻抗，Z
oute
代表奇模阻抗，Z0代表谐振电路的特征阻抗。
[0007]如今针对高性能滤波器的拓扑结构越来越多，关于传输零点的产生机理也越来越丰富。但是在大量报道的新型集总滤波器拓扑结构当中，有的没有建立起传输特性函数的零极点与元件值的唯一确定的数学关系，有的数学关系与拓扑结构复杂，应用场景相对单
一，并且难以适用于IPD工艺。这使得在运用新型滤波器的拓扑结构时，无法迅速给出元件值，无法提前预测滤波器性能，拓扑结构可优化空间太小等一系列棘手的问题。此外，在设计滤波器时，经常会因调谐与优化后的滤波器结果无法满足指标，并很难迅速判断不能满足技术指标的原因具体在哪里，到底是谐振器阶数不足，还是受限于本身拓扑结构，还是元件值还有优化的空间。这就为滤波器的后续优化带来了麻烦。如何根据技术指标，有层次的、成体系的、便捷的优化拓扑结构，并迅速对每个元件值进行重新确定也是本专利需要解决的另一个问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了解决现有计算传输零点位置的方法难以适用于IPD工艺，难以迅速给出元件值，无法提前预测滤波器性能等问题，而提供一种基于N+2耦合理论的新型集总窄带IPD滤波器的设计方法。
[0009]本专利技术基于N+2耦合理论的集总窄带IPD滤波器的设计方法按照以下步骤实现：
[0010]一、设定窄带IPD滤波器的集总拓扑结构，对于N+2型耦合滤波网络，导纳矩阵方程式[Y]＝j[M]+j[s]+[G](4)，其中[M]代表耦合矩阵，耦合矩阵中的元素表示谐振器之间的耦合系数，[S]代表单位矩阵，[G]代表稀疏矩阵，其中除了左上角的元素为G1，右下角的元素为Gn之外，其余元素均为0；
[0011]然后以中心频率为f0，带宽为Δf对导纳矩阵方程式进行带通频率变换，带通滤波器源端导纳为G
S
，负载阻抗G
L
，得到带通频率变换后的导纳矩阵方程式：
[0012][Y]＝j[m]+[W]+[G](5a)；
[0013]其中
[0014]式中ω0为带通滤波器的中心频率，C
SS
为源和源之间的耦合电容，C
LL
为负载与负载之间的耦合电容，C
SL
为源和负载之间的耦合电容，C
NL
为第N个谐振器与负载之间的耦合电容，C
11
为耦合器之间的耦合电容；C
S1
为源与第一个谐振器之间的耦合电容；
[0015][0016]式中C0是并联谐振回路电容，L0是并联谐振回路电感，ω是并联谐振回路中心频率；
[0017][0018](j[m
*
]代表单元之间的耦合量矩阵)
[0019]对公式[Y]＝j[m]+[W]+[G](5a)进行展开，得到公式(7)，式中S代表源，L代表负载，ν
n
代表源电压或负载电压，C
nj
代表源或负载与第j个谐振器之间的耦合电容，ν
j
代表第j个耦合器的电压，ν
k
代表第k个耦合器的电压，C
kj
代表第k个耦合器与第j个耦合器之间的耦合电容，i
j
代表第j个耦合器的电流；
[0020]二、设耦合滤波网络中谐振器i与谐振器k的交叉耦合因子为M
ik
，通过PI型电容网络表征交叉耦合因子M
ik
，PI型电容网络中的三电容分别为C
m
和2个C
a
，在谐振回路当中并联一个电容表征谐振器i的自耦合M
ii
；
[0021]三、当交叉耦合因子M
ik
为正时，属于磁耦合，PI型电容网络中的串联电容C
m
为负，并联电容C
a
为正；当交叉耦合因子M
ik
为负时，属于电耦合，PI型电容网络中的串联电容C
m
为正，并联电容C
a
为负；
[0022]四、对设计的窄带IPD滤波器电路进行演变化简处理，演变化简处理包括源端阻抗变换、磁耦合的窄带近似处理和负电容窄带近似处理，最后根据耦合矩阵求解电路结构中各元器件的元件值，完成集总窄带IPD滤波器的设计；
[0023]其中所述磁耦合的窄带近似处理过程如下：
[0024]当C
m
＝
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于N+2耦合理论的集总窄带IPD滤波器的设计方法，其特征在于该设计方法按照以下步骤实现：一、设定窄带IPD滤波器的集总拓扑结构，对于N+2型耦合滤波网络，导纳矩阵方程式[Y]＝j[M]+j[s]+[G](4)，其中[M]代表耦合矩阵，耦合矩阵中的元素表示谐振器之间的耦合系数，[S]代表单位矩阵，[G]代表稀疏矩阵；然后以中心频率为f0，带宽为Δf对导纳矩阵方程式进行带通频率变换，带通滤波器源端导纳为G
S
，负载阻抗G
L
，得到带通频率变换后的导纳矩阵方程式：[Y]＝j[m]+[W]+[G](5a)；式中ω0为带通滤波器的中心频率，C
SS
为源和源之间的耦合电容，C
LL
为负载与负载之间的耦合电容，C
SL
为源和负载之间的耦合电容，C
NL
为第N个谐振器与负载之间的耦合电容，C
11
为耦合器之间的耦合电容；C
S1
为源与第一个谐振器之间的耦合电容；式中C0是并联谐振回路电容，L0是并联谐振回路电感，ω是并联谐振回路中心频率；是并联谐振回路电感，ω是并联谐振回路中心频率；(j[m
*
]代表单元之间的耦合量矩阵)对公式[Y]＝j[m]+[W]+[G](5a)进行展开，得到公式(7)，式中S代表源，L代表负载，ν
n
代表源电压或负载电压，C
nj
代表源或负载与第j个谐振器之间的耦合电容，ν
j
代表第j个耦合器的电压，ν
k
代表第k个耦合器的电压，C
kj
代表第k个耦合器与第j个耦合器之间的耦合电容，i
j
代表第j个耦合器的电流；二、设耦合滤波网络中谐振器i与谐振器k的交叉耦合因子为M
ik
，通过PI型电容网络表征交叉耦合因子M
ik
，PI型电容网络中的三电容分别为C
m
和2个C
a
，在谐振回路当中并联一个
电容表征谐振器i的自耦合M
ii
；三、当交叉耦合因子M
ik
为正时，属于磁耦合，PI型电容网络中的串联电容C
m
为负，并联电容C
a
为正；当交叉耦合因子M
ik
为负时，属于电耦合，PI型电容网络中的串联电容C
m
为正，并联电容C
a
为负；四、对设计的窄带IPD滤波器电路进行演变化简处理，演变化简处理包括源端阻抗变换、磁耦合的窄带近似处理和负电容窄带近似处理，最后根据耦合矩阵求解电路结构中各元器件的元件值，完成集总窄带IPD滤波器的设计；其中所述磁耦合的窄带近似处理过程如下：当C
m
＝
‑
C
ik
；C
a
＝C
ik
时，C
ik
代表第i个谐振器和第k个谐振器之间的耦合电容，此时PI型电容网络窄带近似处理为纯电感PI型窄带近似电路，纯电感PI型窄带近似电路由L
m*
L
1*
L
2*
组成，L
m*
、L
1*
和L
2*
的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琮，范弘基，李朝启，魏宇琛，李纪虎，蔡大雨，
申请(专利权)人：青岛晶芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：