耦合矩阵综合和提取极点滤波器自适应电路综合技术研究

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高性能微波带通滤波器综合技术多采用窄带N+2耦合矩阵综合。耦合矩阵可通过相似变换得到不同的电路拓扑,矩阵中的元素值可精确对应实际电路拓扑。然而,当使用波导腔体来设计高性能滤波器时,耦合矩阵中的交叉耦合和不同符号的耦合有时很难实现。提取极点滤波器结构简单,能够更加灵活地指定传输零点的位置,并且电路中不存在交叉耦合。但是提取极点滤波器的原型电路与物理尺寸之间很难像耦合矩阵和其对应电路拓扑一样建立精确的映射关系。对提取极点滤波器进行分块设计,如何确定各部分的尺寸并合理地将其组合成一个完整的滤波器也是一个问题。提取极点滤波器的设计通常依赖于耗时的全波电磁仿真优化,故而,寻找一组高质量的初始尺寸对滤波器设计和调试具有重要意义。本文通过对比使用N+2耦合矩阵综合法和提取极点滤波器电路综合法来综合4-2滤波器的难易程度,针对提取极点滤波器的分块设计,提出了一种适用于提取极点滤波器的自适应综合设计方法,并以两个提取极点在拓扑不同位置的5-1滤波器全波仿真实例来验证该方法的有效性。1.基于第二章的滤波器综合理论,在第三章中对比了滤波器耦合矩阵综合和提取极点滤波器电路综合的特点,通过优化4-2滤波器的分块设计,从电路综合的角度,提出了一种提取极点滤波器的自适应电路综合设计方法。(a)对5-1广义切比雪夫滤波器进行多项式综合,对比分析了耦合矩阵拓扑和提取极点拓扑;(b)对4-2滤波器使用耦合矩阵和电路综合,对比4-2滤波器的提取极点拓扑,阐明提取极点设计相对于交叉耦合综合在传输零点位置分配上的灵活性;(c)分块初步设计了一个4-2提取极点滤波器,基于不同块的电磁模型和电路之间的等效,提出了一种提取极点滤波器的自适应电路综合方法。2.采用所提出的提取极点滤波器自适应电路综合方法,设计了两个提取极点在不同位置处的5-1滤波器,通过全波仿真和参数提取,单独设计提取极点部分、连接部分和剩余直接耦合谐振器部分,使用所提出的自适应电路等效方法处理三部分的连接处,最后将三大部分拼接起来对其进行全波仿真,其响应和理想响应很接近,验证了该方法的有效性。(a)对网络进行电路综合,提取电路拓扑元素值。对5-1提取极点滤波器进行电路综合,并通过电路等效,将提取极点部分转换为并联分支结构,同时等效恒定移相器电路,得到不随频率变化的电纳元件,以此得到整个提取极点滤波器的NRN电路模型;(b)将网络分为三大部分单独设计。提取极点部分、连接部分、剩余谐振网络三部分“分而治之”;(c)设计提取极点部分的电磁模型。单独设计提取极点部分的电磁模型,并通过拟合S参数,提取其对应等效电路的元件值;(d)设计谐振器和谐振器间耦合。通过HFSS仿真波导谐振器,并使用H面的膜片,实现两个谐振器之间的耦合;(e)设计输入/输出耦合。通过EM仿真,结合输入/输出耦合的等效电路,对仿真的散射参数进行拟合,提取其中的输入/输出耦合系数,实现给定电路模型需要的输入/输出耦合;(f)调整提取极点部分。无法实现原先NRN电路中提取极点的电纳,则先实现可以实现的电纳值,再通过电路等效,引入一段均匀传输线,并改变之后直接相连的耦合谐振网络中的相关电纳、耦合值。根据已实现的提取极点部分,自适应调整剩余相对容易调整和实现的电路;(g)综合设计和轻微调试。将三大部分直接拼起来形成一个完整的滤波器,其响应很接近理想的响应,得到了优化和调试前较好的尺寸初值,便于之后进一步调试和优化。
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