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1、广义切比雪夫滤波器的电路仿真,大纲,前言广义切比雪夫滤波器串联谐振电路的仿真模型广义切比雪夫滤波器并联谐振电路的仿真模型计算实例源与负载直接耦合滤波器电路模型含非谐振节点的滤波器电路模型含高次模节点的滤波器电路模型几种复杂结构的广义切比雪夫滤波器电路模型源与负载为复阻抗的广义切比雪夫滤波器电路模型多通带广义切比雪夫滤波器电路模型,电路仿真的意义,电路模型反映了滤波器的拓扑结构。通过电路模型可以建立几何结构与滤波器参数之间的联系。通过电路模型，可以对滤波器的拓扑结构和几何尺寸进行优化。可以缩短研制周期。,广义切比雪夫滤波器的等效电路,图一、A.E.Atia的 n 腔耦合滤波器等效电路模型,正交耦
2、合滤波器的串联型等效电路模型,正交耦合滤波器,一个谐振腔既可以用串联谐振回路表示也可以用并联谐振回路表示。当我们使用串联谐振回路表示谐振腔时，腔之间的耦合用K变换器表示。当我们使用并联谐振回路表示谐振腔时，腔之间的耦合用J变换器表示。我们先考虑一个不包括源和负载耦合三腔正交耦合滤波器。,3腔正交耦合滤波器的电路模型,图二、3腔正交耦合滤波器的电路模型,3腔正交耦合滤波器的电路模型,K变换器的等效电路,根据电路理论，阻抗变换器可以用一个具有电抗特性的T形网络表示。T型网络电抗元件的电抗值就是它们的变比。如果是磁耦合，K变换器的等效电路为图中的（a）。如果是电耦合，K变换器的等效电路为图中的（b）
3、。,图三、K变换器的等效电路,3腔正交耦合滤波器的等效电路模型,图四、3腔正交耦合滤波器的串联谐振回路等效电路模型,3腔正交耦合滤波器的电路方程,矩阵形式的电路方程,或，,上述方程可以写成如下的矩阵形式：,其中，,是,的阻抗矩阵。,阻抗矩阵,归一化阻抗矩阵,归一化阻抗矩阵可以写成下面的形式，,n腔正交耦合滤波器矩阵方程的一般形式,低通原型和带通滤波器之间的变换,低通到带通的频率变换式为：其中，分别为上下边带频率；为通带中心频率；为分数带寛。是归一化频率。,滤波网络对端口归一化,图六、三腔正交耦合滤波器归一化等效电路模型,包括源与负载耦合的滤波器电路方程,正交耦合滤波器电路方程的一般形式,其中：
4、,或,包括源与负载耦合的滤波器的归一化耦合矩阵,腔体的等效电容腔体的等效阻抗其中，是腔体品质因数。,归一化耦合系数与电路参数的关系,腔体之间的耦合腔体与源或负载之间的耦合源与负载之间的耦合腔体谐振频率,在电路中用电长度为90度，特性阻抗值为K的理想传输线段表示K变换器。,用什么表示K变换器？,Zin,ZL,Z0,仿真用电路软件的选择,在ADS和Microwave Office软件中电长度为90度的理想传输线段对应的频率是一个固定值。ADS和Microwave Office中理想传输线段的特性阻抗值不能为负值。当耦合系数为负时，只能将传输线电长度设为-90度。Ansoft Designer中电长
5、度为90度的理想传输线段所对应的频率可以是一个变量，随着扫描频率变化。Ansoft Designer中理想传输线段的特性阻抗值可以为负值。,串联谐振等效电路模型,4阶交叉耦合滤波器中心频率：7.5GHz带寛：25MHz腔体Q值：4000反射损耗：-20dB,串联谐振等效电路模型,电路模型,计算结果,S参数：,计算结果,群时延,计算结果,腔体储能,正交耦合滤波器的并联型等效电路模型,正交耦合滤波器的并联型等效电路模型,正交耦合滤波器的并联型等效电路模型,图七、三腔正交耦合滤波器的并联谐振回路电路模型,导纳变换器J,图八、导纳变换器及其等效电路,三腔正交耦合滤波器的并联谐振回路等效电路模型,图九、
6、三腔正交耦合滤波器的并联谐振回路等效电路,电路方程,矩阵形式电路方程,或,N腔正交耦合滤波器,N腔正交耦合滤波器,端口归一化,图十、三腔正交耦合滤波器归一化等效电路模型,源和负载与腔体之间的耦合系数,归一化耦合系数与电路参数之间的关系,腔体之间的耦合腔体与源或负载之间的耦合源与负载之间的耦合腔体的实际谐振频率,腔体的等效电容腔体的等效导纳其中，是腔体品质因数。,在电路中用电长度为90度，特性阻抗值为J的理想传输线段表示J变换器。,用什么表示 J 变换器？,Zin,ZL,Z0,串联谐振等效电路模型,4阶交叉耦合滤波器中心频率：7.5GHz带寛：25MHz腔体Q值：4000反射损耗：-20dB,串
7、联谐振等效电路模型,电路模型,计算结果,S参数：,计算结果,群时延,计算结果,腔体储能,更多的计算实例,例一、3腔滤波器的优化,倪大宁，“源-负载耦合交叉耦合滤波器综合与设计”，西安电子科技大学，硕士学位论文，2007.1,综合以后的结果,存在的问题,工作带宽有一点偏；综合以前对带外的抑制特性不太明确；综合产生的耦合系数在物理上能否实现不了解；综合的结果不一定是唯一的。因此，需要用优化方法对综合以后的结果进行筛选和修正。,优化前后的比较,优化后的结果,优化前的结果,新的耦合矩阵,新矩阵,旧矩阵,化简拓扑结构,新的耦合矩阵,源,负载,优化结果,例二、包含源与负载耦合的例子,Smain Amari
8、，“Adaptive Synthesis and Design of Resonator Filters With Source/Load-Multiresonator Coupling”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.50,NO.8,AUGUST 2002，P 1696-1978,中心频率：26.453GHz;带宽：41MHz零点频率：f1=26.323GHz;f2=26.524GHz;f1=26.607GHz;,资料的仿真结果,Designer的仿真结果,例三、带阻滤波器的例子（同轴线连接）,Richard
9、 J.Cameron,Ying Wang and Ming Yu，“Direct-Coupled Realizations for Microwave Bandstop Filters”，2005,计算结果,例四、带抑制谐振器的滤波器,文献结果,计算结果,例五、含非谐振结点的滤波器电路仿真,把非谐振节点应用在滤波器设计中是Amari等人在2004年提出的。在不存在源与负载耦合的条件下，也可以实现最大数量为N的有限频率传输零点。这种结构的实现得益于推出了它的电路模型。,一个Combline Filter的例子,Smain Amari,“Synthesis of Inline Filters Wi
10、th Arbitrarily Placed Attenuation Poles by Using Nonresonating Nodes”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.53,NO.10,OCTOBER 2005，P3075-3081,资料给出的参数,含非谐振结点的电路模型,Smain Amari,”New Building Blocks for Modular Design of Elliptic and Self-Equalized Filters”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWA
11、VE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.52,NO.2,FEBRUARY 2004，P 721-736,计算结果,仿真电路图,非谐振节点不含电抗分量,仿真结果,S参数,仿真结果,群时延,仿真结果,各个腔体的储能,例六、含高阶谐振器的滤波器仿真,这个概念是Amari在2005年提出的。它的主要优势在多通带滤波器。在低通带，高阶腔体可作为低阶腔体的非谐振节点。反之，在高通带，低阶腔体可作为高阶腔体的非谐振节点。,例六、含高阶谐振器的滤波器仿真,Marjan Mokhtaari,Jens Bornemann and Smain Amari，“Advanced Filter Desi
12、gn Using Cross-CoupledNetworks With Higher-Order Resonances”，in Proc.,35th Eur.Microw.Conf.,Paris,France,Oct.2005,P1423-1426,拓扑结构和耦合矩阵,仿真电路,S参数仿真结果,仿真结果,各个腔体的储能,仿真结果,各个腔体的储能,仿真结果,群时延,例七、箱形滤波器的等效电路,Richard J.Cameron,“Advanced Coupling Matrix Synthesis Techniquesfor Microwave Filters”，IEEE TRANSACTION
13、S ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.51,NO.1,JANUARY 2003 1，p1-10,仿真电路,仿真结果,S参数,仿真结果,各个腔体储能,仿真结果,群时延,另外一个箱形滤波器的例子,资料上计算结果,滤波器等效电路,仿真结果,S参数,仿真结果,各个腔体储能,仿真结果,群时延,例八、异形结构滤波器,资料的计算结果,滤波器等效电路,仿真结果,S参数,仿真结果,各个腔体储能,仿真结果,群时延,例九、串行与并行电路的比较,Smain Amari,”Physical Interpretation and Implications of Similari
14、ty Transformations in Coupled Resonator Filter Design”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.55,NO.6,JUNE 2007，P1139-1152,S参数结果完全相同，损耗也相同。,两种结构的群时延也相同,群时延,但是，腔体储能不同。,串联结构腔体储能,腔体储能不同。,并联结构腔体储能,例十、含移相段的电路仿真,Smain Amari,“Synthesis and Design of Novel In-Line Filters With One or Two R
15、eal Transmission Zeros”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.52,NO.5,MAY 2004P1464-1477,文献给出的结果,Designer 电路图,Designer仿真结果,S参数,Designer仿真结果,群时延,Designer仿真结果,各个腔体的储能,另外源和负载都为复数的例子,Designer 电路图,Designer仿真结果,S参数,Designer仿真结果,群时延,Designer仿真结果,各个腔体的储能,例十一、双通带滤波器的仿真结果,设计一个用于CDMA的滤波器，其工作的双通带分别为：825-835MHz、870-880MHz,则其中心频率=852MHz，带内衰减小于1.5dB，0.78 GHz以下及0.92GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。,仿真结果,谢谢！,
