微带类椭圆函数滤波器

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1、微带类椭圆函数滤波器微带类椭圆函数滤波器精品文档！欢迎下载大家下载阅读！微带类椭圆函数滤波器李胜先 吴须大（中国空间技术研究院 504 所 710000）摘要本文介绍了一种新型的微带线滤波器：类椭圆函数滤波器。比起传统的微带交指、平行耦合线等形式滤波器，微带类椭圆函数滤波器具有很好的带外抑制特性且体积小。通过微带谐振器安放在不同的位置和改变谐振器之间的间距，实现不同性质的耦合及耦合大小。分别计算了三种性质耦合大小与间距的关系，并得到曲线。设计了 4 阶类椭圆函数滤波器，测试结果与理论预期值相吻合。该类滤波器可以广泛应用在平面电路中，同时在超导状态下也有诱人的应用前景。关键词微带滤波器 类椭圆函

2、数 电耦合 磁耦合 混合耦合 耦合系数 计算 设计一、引言微带滤波器因其体积小、结构简单、加工方便、成本低等优点在微波平面电路中有较为广泛的应用。交指形式滤波器、平行耦合线滤波器是微带滤波器两种常用的形式。但这两种形式滤波器，到目前为止，最多只能实现特性，获得了带内较平坦的幅频特性，但带外抑制特性较差。为了改善这种较差带外抑制，往往只能靠增加滤波器的阶数，但增加阶数引入更大的插损和更大的体积，并增加滤波器的设计难度。对于微带交指滤波器而言，由于有接地的要求，因此，实际加工过程中不可避免地引入了损耗。而在平行耦合线滤波器中，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤波器在一个方向上占用很大空间。本文介绍的

3、微带类椭圆函数滤波器，是一种新型式的滤波器。通过在带外引入衰减极点，它能明显地该善滤波器的带外特性，比微带交指滤波器和平行耦合线滤波器有更好的电性能。由于微带类椭圆函数滤波器的谐振器是一个方形，而非在一个方向展开，因此缩小了体积。同时，它不需要接地，所以降低了加工难度并减少了滤波器的损耗。这种高选择性使该类滤波器能广泛应用到微波电路中。同时，在超导状态下，由于导体带薄膜的无载值很高，甚至可以达到10000，这种滤波器将在具有较高选择性同时，拥有极低的插损，其电性能可以与波导腔式滤波器相媲美，拥有十分诱人的应用前景。二、原理图 1 是微带类椭圆函数滤波器的平面结构示意图，图 1(a)、(b)、(

4、c)分别是 4、6、8 阶滤波器。(a) 4 阶 (b) 6阶(c) 8 阶图 1 微带类椭圆函数滤波器的平面结构示意图每一个方形构成一个微带谐振器，为谐振器。谐振器之间通过耦合的不同形式和不同的间隙来达到正、负耦合及相应耦合的大小。这种谐振器可以提供至少三种耦合形式：电耦合、磁耦合、混合耦合，也正是由于能够提供多种性质的耦合，才导致了它能实现多种函数的滤波器，如实现有限频率传输零点的类椭圆函数滤波器。它这种实现不同形式滤波器的灵活性，如同人们熟知的圆柱腔式滤波器一样123。三种耦合形式的结构示意图见图 2，电耦合、磁耦合、混合耦合分别表示在(a)、(b)、(c)中。调整谐振器之间的间隙和谐振

5、器位置偏移，可以改变耦合的大小。(a) 电耦合(b) 磁耦合(c) 混合耦合图 2 三种基本耦合形式下面简单介绍三种耦合系数的计算。采用 EM 仿真软件，通过适当的形式把能量馈入如图 2 所示的耦合结构中，并把耦合后的能量引出来，它将会产生如图 3 所示的传输响应，其耦合系数 k 就可以计算出来，为（1）图 3 耦合结构的传输响应当然，还可以采用另外一种较简单的耦合系数的计算方法。其主要思想是：将图 2 中的耦合结构在两个谐振器间隙的中心面分为两部分，只须计算其中一部分，但需要计算两次，一次为定义切开的中心面为电壁，另一次定义中心面为磁壁，每一次计算均有一个谐振频率，设中心面为电壁时谐振频率为

6、，中心面为磁壁时谐振频率为，则耦合系数可按下式计算：（2）图 4 和图 5 给出了两种微带介质基片三种耦合系数与耦合间隙的关系曲线， 、 、分别为电、磁和混合耦合。在图 4 中，介质基片为、的，而图 5 中的介质基片为、的陶瓷。图 4 微带基片中三种耦合系数随谐振器间隙的变化图 5 微带基片中三种耦合系数随谐振器间隙的变化三、微波滤波器的设计进行微波滤波器的设计时，必须完成耦合系数的计算，因为耦合系数是滤波器设计的一个重要参数，同时又有较大的难度，它的计算精确与否直接关系到滤波器设计是否成功。根据性能指标，如中心频率、带宽、带内插损、阻带抑制点及抑制等，采用适当的方法，综合或优化出相应的耦合矩

7、阵4-7。这里需要说明的是，由指标获取耦合矩阵的过程相当复杂且难度较大。就综合手段而言，到目前为止还没有一个非常好的方法，其通用的过程是：由指标构造传递函数，其分子和分母均为有理函数多项式，通过对有理函数多项式进行多种处理产生初始的耦合矩阵，然后多次旋转这个的耦合矩阵，消去掉不易实现的耦合单元，最终达到所需形式的耦合矩阵；若采用优化途径，首先则通过指标确定滤波器的阶数和耦合矩阵的结构，然后采用合适的优化方法来得到满足指标的耦合矩阵，但是对于离散多变量优化问题，目前还没有一个行之有效的优化方法，许多方法易陷于局部最优值，有的甚至找不到最优点，研究优化方法仍是微波电路的一个重要课题。现在使用较多的

8、优化方法主要有法、共轭方向法、模拟退火法、遗传算法等8-11。本文设计了一个 4 阶类椭圆函数滤波器，其耦合矩阵为：，(3)输入/输出耦合采用抽头形式，它的大小可以根据文献12介绍的方法来计算；矩阵中正耦合由磁耦合和混合耦合来实现，而负耦合采用电耦合形式。该滤波器模拟的传输和反射特性见图 6，图 7是其测试曲线，需要说明的是，测试时该滤波器没有经过任何调试。观察图 6 和图 7，可以发现测试结果与理论设计性能基本一致，衰减极点的位置和大小与仿真的是吻合的，图 6 微带 4 阶类椭圆函数滤波器模拟的传输和反射特性图 7 微带 4 阶类椭圆函数滤波器测试的传输和反射特性微带谐振器无载值较低，只有几

9、百，因此滤波器的插损较大。但在超导状态下，超导薄膜的无载值很高，甚至超过 1000013，此时滤波器的插损是非常小的，具有与波导腔式滤波器相媲美的电性能，有较为广泛的应用前景。四、结束语文章介绍了一种微带类椭圆函数滤波器，通过微带谐振器安放在不同的位置和改变谐振器之间的间距，实现不同性质的耦合及耦合大小，从而在滤波器带外增加了衰减极点，该善了滤波器的选择性能。同时这种形式滤波器具有体积小、加工方便等优点。分别计算了三种性质耦合大小与间距的关系，并得到曲线。设计了 4 阶类椭圆函数滤波器，测试结果与理论预期值相吻合。该类滤波器可以广泛应用在微波平面电路中；同时在超导状态下，它具有更加诱人的应用前

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11、y Tech.,vol.MTT-40,pp.1133-1149,June 1992.3 吴须大，“邻接型多工器通道滤波器设计新途径“，93 年全国微波会议论文集。4 Ralph Levy,“Filters with Single Transmission Zeros at Real or Imaginary Frequencies,“IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,vol.MTT-24,pp.172-181,Apr. 19765 R.J.Cameron,“General Prototype Network Synthesis Method for Micr

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