一种频率带宽可重构滤波器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种频率带宽可重构滤波器的设计方法，属于无线微波通信领域。该方法通过在SIW谐振腔滤波器的介质基板内预设内部端口阵列，然后采用优化算法对内部端口阵列的负载状态进行优化，实现所需频率范围内滤波器的频率、带宽的可重构，且保持较好的性能参数。本发明专利技术直接地从控制输入输出端口S参数出发，采用简单的结构实现频率带宽重构，同时在通带范围内具有良好的传播特性、回波损耗等特性参数。数。数。

【技术实现步骤摘要】
一种频率带宽可重构滤波器的设计方法


[0001]本专利技术属于无线微波通信领域，尤其涉及一种频率带宽可重构滤波器的设计方法。

技术介绍

[0002]在近年来无线通信技术高速发展下，滤波器等射频前端器件亟需向多频段、小型化及智能化方向发展。特别是5G背景下Massive MIMO、毫米波等技术应用场景中，通信系统各组分高密度、多频段工作成为一种必然趋势。传统滤波器往往只可工作于一个或多个特定的频段，通带带宽、插入损耗、回波损耗等特性也难以简单控制，且对器件的整体结构往往有着不同的要求。在新应用场景下，所需滤波器数量将大量增加，结构各异，且彼此间将不可避免产生干扰，这严重增加了设计难度，且造成系统结构的臃肿，效率低下。
[0003]可重构滤波器作为一种新的概念应运而生。其可实现频率调谐，满足自适应预选频和多信道传输要求，有望在大规模密集通信系统中实现集成或频段复用，有效优化了系统尺寸，解决设备间的相互干扰及电磁兼容问题。基于各种结构的可重构滤波器已被广泛研究并取得一定进展(S.N.McClung,S.Saeedi and H.H.Sigmarsson,"Band
‑
Reconfigurable Filter With Liquid Metal Actuation,"in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.66,no.6,pp.
[0004]3073
‑
3080,June 2018；Q./>‑
L.Zhang,K.Wu and B.
‑
Z.Wang,"A Magnetically Tunable Dual
‑
mode Bandpass Filter for Cognitive Wireless System,"2018International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium
‑
China(ACES),2018)。然而，传统滤波器往往局限于特定的结构，且无法实现频率带宽的灵活调节。近年来，人们更加关注中心频率、带宽和频率选择性都可以调节的滤波器设计。Q.Zhang，B.Wang于2018年提出了一种基于基片集成波导(SIW)的频率带宽可调的电调可重构滤波器(专利申请号CN201810681149.9)，通过在输入输出馈线上加载可调电容及在耦合窗口加载铁氧体材料，实现了滤波器的频率及带宽可重构，然而上述结构极其所要求的工艺较复杂；需要可调电容等外部原件控制，器件对环境要求较大；且使用成本较高。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)现有的可重构滤波器在保证结构、操作简单的前提下难以进行中心频率、带宽和频率选择性的任意调节，在灵活性上有较大限制。
[0007](2)现有的频率带宽可调的可重构滤波器结构较复杂，使用时外部因素影响较大且过程较复杂，设计、制作及材料成本较高。
[0008](3)现有的频率带宽可调的可重构滤波器设计方法及过程较为繁琐，进行重构时需考虑的因素较多。
[0009](4)现有的可重构滤波器设计方法难以相对稳定地控制结构的插入损耗、回波损耗等特性参数。
[0010](5)传统可重构滤波器往往限于特定结构。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提出了一种频率带宽可重构滤波器的设计方法，通过在SIW谐振腔滤波器的介质基板内预设内部端口阵列并优化各内部端口的负载状态，采用简单的结构，便可实现所需频率范围内滤波器的频率、带宽的可重构，且保持较好的性能参数。
[0012]本专利技术采用的技术方案如下：
[0013]一种频率带宽可重构滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0014]S1、建立待重构的SIW谐振腔滤波器的基础模型，该基础模型包括介质基板，设置于介质基板正面的上层金属层、输入端口、输出端口，设置于介质基板背面的下层地板；在基础模型的优化区域内设置内部端口阵列；所述内部端口阵列包括均匀分布的连接顶层金属层与下层地板的内部端口，且相邻内部端口中心距小于工作波长的1/4；所述优化区域为基础模型中顶层金属层与下层地板投影重合范围内的任意区域。
[0015]S2、使用电磁仿真软件对内部端口阵列及外部端口进行一次全波仿真，得到在工作频率范围内的端口阻抗矩阵所述外部端口包括输入端口和输出端口。
[0016]S3、建立目标频率下内部端口负载状态与外部端口之间的关系式：
[0017]Z
i
(f)＝Z
A
(f)
‑
Z
B
(f)
×
(Z
D
(f)+Z
L
)
‑1×
Z
C
(f)
[0018]其中，外部端口数量为N，内部端口数量为M
‑
N；1～N为外部端口编号，N+1～M为内部端口编号；表示基于第i组内部端口阵列通断配置的输入输出端口阻抗矩阵；表示全波仿真计算下外部端口的自阻抗矩阵；表示全波仿真计算下外部端口与内部端口间的互阻抗矩阵；Z
C
(f)＝Z
B
(f)
T
；表示全波仿真计算下内部端口的自阻抗矩阵；表示内部端口阵列的负载状态，其中Z
LN+1
...Z
LM
表示各内部端口的通断状态，端口短路时取0，端口开路时取∞。
[0019]S4、选择优化算法，基于散射矩阵与阻抗矩阵的转换关系，将目标频段S参数设为优化目标；内部端口阵列的负载状态Z
L
作为优化变量。
[0020]S5、在优化算法目标函数中设置预期的通带与阻带频率范围；设置内部端口阵列的初始负载状态；设置算法迭代次数或时间；结合S2～S3得到各外部端口的目标频率S参数，将其基于目标函数进行优化，使得通带与阻带范围符合目标要求。
[0021]S6、若未达到所需通带、阻带的要求，则将此次优化计算得到的内部端口阵列的负载状态作为下次优化计算的初始负载状态，重复S5；若达到所需通带、阻带的要求，则得到了一组满足目标要求的内部端口阵列的负载状态Z
L
，完成频率带宽可重构滤波器的设计。
[0022]优选地，S4中，选择启发式优化算法如遗传算法，粒子群算法，模拟退火算法基于目标函数进行优化；这几种优化算法对优化变量的连续性没有限定要求，且优化过程具有方向性，降低时间成本。
[0023]优选地，所述电磁仿真软件为CST MWS、ANSYS HFSS等常用电磁仿真软件。
[0024]本专利技术通过在SIW谐振腔滤波器的基础模型内配置内部端口阵列，基于一组内部端口阵列的负载状态得到输入输出端口间S参数显性表达式，并使用优化算法对内部端口本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种频率带宽可重构滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立待重构的SIW谐振腔滤波器的基础模型，该基础模型包括介质基板，设置于介质基板正面的上层金属层、输入端口、输出端口，设置于介质基板背面的下层地板；在基础模型的优化区域内设置内部端口阵列；所述内部端口阵列包括均匀分布的连接顶层金属层与下层地板的内部端口，且相邻内部端口中心距小于工作波长的1/4；所述优化区域为基础模型中顶层金属层与下层地板投影重合范围内的任意区域；S2、使用电磁仿真软件对内部端口阵列及外部端口进行一次全波仿真，得到在工作频率范围内的端口阻抗矩阵所述外部端口包括输入端口和输出端口；S3、建立目标频率下内部端口负载状态与外部端口之间的关系式：Z
i
(f)＝Z
A
(f)
‑
Z
B
(f)
×
(Z
D
(f)+Z
L
)
‑1×
Z
C
(f)其中，外部端口数量为N，内部端口数量为M
‑
N；1～N为外部端口编号，N+1～M为内部端口编号；表示基于第i组内部端口阵列通断配置的输入输出端口阻抗矩阵；表示全波仿真计算下外部端口的自阻抗矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：王任，张晋越，邵俊杰，王秉中，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：