基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法技术

本发明专利技术属于电磁场与微波技术领域，具体为基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法。本发明专利技术将频变CT拓扑应用于基于两个低通原型函数的非对称双通带滤波器的设计中，将拓扑结构对应的频变耦合矩阵转换为非频变耦合矩阵后，通过有约束非线性最小化函数优化求解频变耦合矩阵的全部未知参数，在不增加交叉耦合路径的条件下实现了更多传输零点，并且使得双通带滤波器具有更好的矩形系数，简化了滤波器的拓扑结构，减小了调试的复杂程度。本发明专利技术可在不同的通带和规定的传输零点中合成不同阶数、回波损耗和带宽的双通带滤波器，简化滤波器设计与仿真的难度，且极大提高了带外抑制和通带间的隔离程度。抑制和通带间的隔离程度。抑制和通带间的隔离程度。

【技术实现步骤摘要】
基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法


[0001]本专利技术属于电磁场与微波
，特别涉及非对称双通带滤波器设计领域，具体为一种基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法。

技术介绍

[0002]在双通带滤波器设计中，需要足够多的传输零点来保证频率选择特性，通常采用普通的CT和CQ结构来实现传输零点；然而，普通的CT和CQ结构并不能够实现N
‑
1个传输零点，N为滤波器的阶数，即不具备准正则特性，并且过多的交叉耦合还会造成双通带滤波器设计困难和最终仿真调谐难度增加的问题。
[0003]随着滤波器对小型化和高选择特性的需求，频变耦合结构越来越受到人们的关注，这种结构可以实现更多的传输零点，具备准正则特性，也有利于拓扑结构的简化。频变耦合的拓扑结构主要分为两种：1)线内拓扑；2)频变耦合块(如频变CT、频变CQ)。从解析法的角度来看，线内拓扑和频变CT拓扑在化简过程中的矩阵变换有很大的差别：第一种方法是从轮型拓扑结构出发，利用相似变换和缩放变换，最终实现线内拓扑；线内拓扑结构简单，不包含任何交叉耦合路径。第二种方法同样从轮型拓扑结构出发，利用与上述不同的相似变换和缩放变换，最终在CT、CQ结构中引入频变耦合。
[0004]然而，线内拓扑在设计双通带滤波器过程中存在着带间传输零点难以实现的问题：因为是采用频率变换的方法来设计非对称双通带滤波器，所以在用频变耦合结构实现通带间的传输零点时要求频变耦合对于频率的改变要非常灵敏，通常要求在10MHz左右频率的变换下，耦合系数要从一个较大常数变为0，而这在HFSS中难以实现；所以目前从设计角度来看，线内拓扑只能应用在单通带滤波器设计中，业内通常采用频变耦合块拓扑结构进行双通带滤波器的设计。获得频变CT耦合矩阵的方法主要分为解析法和优化法，由于频变CT结构的多样性，导致使用解析法获得不同形式的频变CT耦合矩阵时都需要进行大量的更改操作。
[0005]目前，在采用频率变换方法设计双通带滤波器时，业内并没有很好的方法使得设计的滤波器具有良好的频率选择特性。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，为解决现有非对称双通带滤波器设计过程中拓扑结构复杂、传输零点少和解析法在获得不同形式的频变CT耦合矩阵时需要进行大量的矩阵变换操作改动的问题，本专利技术提供了一种基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法，一方面在不增加交叉耦合路径的条件下实现了更多传输零点，并且使得双通带滤波器具有更好的矩形系数，也简化了拓扑结构，降低了滤波器的调谐难度；另一方面采用优化法避免了在获得不同形式的频变CT耦合矩阵时都需要进行大量的改动矩阵变换的问题。
[0007]一种基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法，具体步骤如下：
[0008]步骤1、从两个低通原型的传输零点和反射零点出发，利用频率变换函数得到非对
称双通带滤波函数的传输零点和反射零点。频率变换函数为：
[0009]S＝S'/a1+b1/(S'
‑
jZ
12
),S'<Z
12
[0010]S＝S'/a2+b2/(S'
‑
jZ
12
),Z
12
<S'
[0011]其中未知参数a
i
和b
i
的表达式为：
[0012][0013][0014]上式中，S＝jΩ，S'＝jΩ'，a1、b1、a2、b2是未知变量；第一个低通原型的
‑
∞、
‑
1、1、∞依次对应Ω'域的
‑
∞、P
L1
、P
U1
、Z
12
；第二个低通原型的
‑
∞、
‑
1、1、∞则依次对应Ω'域的Z
12
、P
L2
、P
U2
、∞。Ω域是低通原型的归一化频域，Ω'域是双通带滤波器的归一化频域,S域是低通原型的归一化S域，S'域是双通带滤波器的归一化S域，P
Li
是第i个通带的下边界，P
Ui
是第i个通带的上边界，P
L1
＝
‑
1，P
U2
＝1，Z
12
是两个通带之间的传输零点，P
U1
<Z
12
<P
L2
。
[0015]根据对应关系，确定两个通带之间的传输零点Z
12
及第一个通带的上边界P
U1
和第二个通带的下边界P
L2
的值，从而求出未知参数a1、b1、a2、b2的值，然后得到非对称双通带滤波函数的传输零点和反射零点。
[0016]步骤2、根据两个非对称通带具有不同的回波损耗的设计目标，调整Z
12
位置，直至其满足设计指标。
[0017]步骤3、在步骤2的基础上，根据滤波器综合理论得到非对称双通带滤波器的S参数和横向耦合矩阵M
trans
。
[0018]步骤4、选定频变CT拓扑结构，得到频变CT拓扑结构相对应的频变耦合矩阵，此时频变耦合矩阵中除0之外的所有的参数都是未知的，将含有未知参数的频变耦合矩阵通过矩阵相似变换转换为非频变耦合矩阵M
final
，以全规范耦合矩阵的特征值构造目标函数；最后利用有约束非线性最小化函数fmincon优化得到频变耦合矩阵的全部未知参数。
[0019]本专利技术基于频变耦合结构设计的非对称双通带滤波器，具备以下优点：
[0020]1、相较于传统的根据频率变换方法设计双通带滤波器，本专利技术(步骤1)将两个低通原型而不是一个合成非对称双通带滤波器。可以在不同的通带中具有不同的阶数、回波损耗和带宽。
[0021]2、本专利技术首次提出利用频变CT结构中的频变耦合结构来产生和控制带外的传输零点，利用频变CT结构中的CT结构来产生和控制通带间的传输零点，成功在双通带滤波器设计中引入频变耦合，极大的提升了双通带滤波器的频率选择特性。
[0022]3、本专利技术采用fmincon函数设计一种基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器优化方法，避免了复杂的矩阵变换运算，只需要在确定频变CT拓扑结构时，将对应于拓扑结构的耦合矩阵的未知参数设置好，而后将频变耦合矩阵经过简单的矩阵变换操作转换为频不变耦合矩阵，最后，在设置好目标函数后便可以优化得到频变耦合矩阵中未知的参数，在不增加交叉耦合路径的条件下实现了更多传输零点，保证了双通带滤波器具有好的矩形系数。
附图说明
[0023]图1是本专利技术非对称频变双通带滤波器的频率变换示意图；
[0024]图2是实施例非对称频变双通带滤波器理论多项式得到的S参数示意图；
[0025]图3是实施例的频变CT拓扑结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于频变CT拓扑结构的非对称双通带滤波器的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、从两个低通原型的传输零点和反射零点出发，利用频率变换函数得到非对称双通带滤波函数的传输零点和反射零点；频率变换函数为：S＝S'/a1+b1/(S'
‑
jZ
12
),S'<Z
12
S＝S'/a2+b2/(S'
‑
jZ
12
),Z
12
<S'其中未知参数a
i
和b
i
的表达式为：的表达式为：上式中，S＝jΩ，S'＝jΩ'，a1、b1、a2、b2是未知变量；第一个低通原型的
‑
∞、
‑
1、1、∞依次对应Ω'域的
‑
∞、P
L1
、P
U1
、Z
12
；第二个低通原型的
‑
∞、
‑
1、1、∞则依次对应Ω'域的Z
12
、P
L2
、P
U2
、∞；Ω域是低通原型的归一化频域，Ω'域是双通带滤波器的归一化频域,S域是低通原型的归一化S域，S'域是双通带滤波器的归一化S域，P
Li
是第i个通带的下边界，P
Ui
是第i个通带的上边界，P
L1
＝
‑
1，P
U2
＝1，Z
12
是两个通带之间的传输零点，P
U1
<Z
12
<P
L2
；根据对应关系，确定两个通带之间的传输零点Z
12
及第一个通带的上边界P
U1
和第二个通带的下边界P
L2
的值，从而求出未知参数a1、b1、a2、b2的值，然后得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：高鸾凤，曹国群，胡玉禄，谭政，袁海鹰，李斌，朱小芳，胡权，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：