平行耦合微帶線帶通濾波器的直接設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及平行禪合微帶線帶通濾波器的一種直接設(shè)計 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 濾波器是雷達(dá)、通信及測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一，其功能在于允許某一部分頻 率的信號順利的通過，而讓另外一部分頻率的信號受到較大的抑制，其性能對于整個系統(tǒng) 性能具有重要的影響。濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)包括通帶帶寬、插入損耗、通帶波動、回波損 耗、阻帶抑制度、帶內(nèi)相位線性度及群時延等。按照類型來劃分，目前常用的濾波器類型包 括楠圓濾波器、己特沃斯濾波器、高斯濾波器、切比雪夫濾波器和逆切比雪夫濾波器等等。 對于模擬濾波器而言，分為集總參數(shù)模擬濾波器和分布參數(shù)模擬濾波器。在射頻/微波較高 頻率范圍內(nèi)，通常使用波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器及微帶線濾波器等分布參 數(shù)濾波器。因為分布參數(shù)濾波器所具有的分布參數(shù)效應(yīng)，其設(shè)計遠(yuǎn)比集總參數(shù)濾波器的設(shè) 計復(fù)雜得多。W平行禪合微帶線帶通濾波器的設(shè)計為例，現(xiàn)有設(shè)計方法是先導(dǎo)出低通原型 的濾波多項式，綜合出集總參數(shù)低通原型網(wǎng)絡(luò)（即定義為信號源內(nèi)阻為1歐姆，通帶邊界角 頻率為1弧度/秒的低通濾波器）；然后通過低通至帶通頻率變換，將集總參數(shù)低通原型網(wǎng)絡(luò) 變換成相應(yīng)的集總參數(shù)帶通濾波器網(wǎng)絡(luò);再利用平行禪合微帶線帶通濾波器與集總參數(shù)帶 通濾波器網(wǎng)絡(luò)之間的等效關(guān)系，最終確定平行禪合微帶線帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。現(xiàn)有 方法可W稱之為現(xiàn)有間接設(shè)計方法。現(xiàn)有間接設(shè)計方法存在一些缺點(diǎn)：①現(xiàn)有間接設(shè)計方 法所計算得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)值的準(zhǔn)確性不高;②現(xiàn)有間接設(shè)計方法缺乏靈活性，針對相同的 技術(shù)指標(biāo)，只能得到一組結(jié)構(gòu)參數(shù)值;③現(xiàn)有間接設(shè)計方法只能用于設(shè)計奇數(shù)階平行禪合 微帶線帶通濾波器，沒法用于設(shè)計偶數(shù)階平行禪合微帶線帶通濾波器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 用于設(shè)計平行禪合微帶線帶通濾波器的現(xiàn)有間接設(shè)計方法存在一些缺點(diǎn)。本發(fā)明 的目的是為了克服現(xiàn)有間接設(shè)計方法不足，提供了一種用于設(shè)計平行禪合微帶線帶通濾波 器的直接設(shè)計方法。直接設(shè)計方法的思想是根據(jù)待設(shè)計的平行禪合微帶線帶通濾波器的技 術(shù)指標(biāo)，包括通帶帶寬、插入損耗、通帶波動、回波損耗、阻帶抑制度、帶內(nèi)相位線性度及群 時延等，直接設(shè)計出相應(yīng)的集總參數(shù)帶通濾波器，然后利用集總參數(shù)帶通濾波器與平行禪 合微帶線帶通濾波器之間的等效關(guān)系，來確定平行禪合微帶線帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。所 W，直接設(shè)計方法的關(guān)鍵是建立平行禪合微帶線帶通濾波器與集總參數(shù)帶通濾波器之間的 等效關(guān)系。
[0004] 首先討論平行禪合微帶線帶通濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)。典型微帶線的結(jié)構(gòu)如 圖1所示，主要包括=層。第I層是金屬上覆層，第II層是介質(zhì)基片，第III層是金屬下覆層。 平行禪合微帶線帶通濾波器是一種最經(jīng)典的微帶線濾波器結(jié)構(gòu)，由一組連接在一起的平行 禪合線節(jié)構(gòu)成。平行禪合微帶線帶通濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示，在微帶線的金屬上覆層 上刻蝕如圖2所示的金屬圖案，其中n(n大于等于3的正整數(shù))個終端開路平行禪合線節(jié)連接 在一起，兩端再通過饋線進(jìn)行能量的輸入輸出，構(gòu)成一個平行禪合微帶線帶通濾波器。其等 效電路如圖3所示，其中第i個平行禪合線節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括長度li、線寬Wi和縫隙寬度Si, i =1、2、…，ruZs和Zl分別是兩端饋線的特性阻抗。由此可見，平行禪合線節(jié)是平行禪合微帶 線帶通濾波器的基本構(gòu)成單元。任取其中一個平行禪合線節(jié)來研究，例如W第ia = l、2、… 或n)個平行禪合線節(jié)為例，如圖4所示，其中0為電長度，Zie和ZiD分別是其偶模特性阻抗和 奇模特性阻抗。平行禪合線節(jié)的[ABCD]矩陣可W寫成下面的形式：
[0006] 對應(yīng)的分布參數(shù)等效電路如圖5所示，由一個特性阻抗為ZiD和電長度為0的終端開 路線節(jié)、一個特性阻抗為化e-ZiD)/2和電長度為0的傳輸線節(jié)和一個特性阻抗為ZiD和電長 度為0的終端開路線節(jié)級聯(lián)而成。
[0007] 對于特性阻抗為（Zie-ZiD)/2和電長度為0的傳輸線節(jié)而言，它的[ABCD]矩陣可W 寫成下面的形式
[0009]進(jìn)一步改寫成
[oou]運(yùn)說明特性阻抗為(Zie-ZiD)/2和電長度為0的傳輸線節(jié)可W用如圖6所示的混合 參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)來描述。該混合參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)由一個特性阻抗為(Zie-ZiD)/2和和電長度為0 的終端開路線節(jié)、一個阻抗倒置器(其值為Kl = (Zle-Zl。)/(2sin0))和一個特性阻抗為(Zle-Zl。)/2和電長度為0的終端開路線節(jié)級聯(lián)而成。
[0012]如果在如圖5所示的平行禪合線節(jié)的分布參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)中，將其中間的傳輸線節(jié) 用它的混合參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)來替代，并將相鄰的終端開路線節(jié)合并，就得到如圖7所示平行禪 合線節(jié)的混合參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)。圖7所示平行禪合線節(jié)的混合參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)由一個特性阻抗 為(Zie+Zie)/2的終端開路線節(jié)、一個阻抗倒置器(其值為Ki=(Zie-Zie)/(2sin0))和一個特 性阻抗為化e+Zie)/2的終端開路線節(jié)級聯(lián)而成。對于特性阻抗為化e+Zie)/2的終端開路線 節(jié)而言，它的輸入阻抗Zin為： (4)
[0014]假設(shè)它的諧振角頻率用COO康示，則該終端開路線節(jié)在諧振角頻率CO O擁的電長 度為V2。于是，輸入阻抗Zin可W在諧振角頻率為《01進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，并只保留前兩項 得到
(5) 。運(yùn)說明，該終端開路線 節(jié)可W由一個集總參數(shù)諧振器構(gòu)成，其中以為一個電感元件，Xi為一個與頻率無關(guān)的電抗， 其諧振頻率CO Oi由Zin = O來確定。將特性阻抗為化e+ZiD)/2的終端開路線節(jié)用集總參數(shù)諧振 器等效之后，就得到了平行禪合線節(jié)的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示。在諧振角頻率為CO Oi 附近，阻抗倒置器近似為
，于是，圖4所示的平行禪合線節(jié)的結(jié)構(gòu)參 數(shù)與圖8所示的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)的集總元件之間建立了對應(yīng)關(guān)系。
[0017] 將圖3所示的平行禪合微帶線帶通濾波器的每一個平行禪合線節(jié)都用圖8示的集 總參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效，就得到平行禪合微帶線帶通濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡(luò)，如圖9 所示。接下來，由待設(shè)計的平行禪合微帶線帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，使用集總參數(shù)帶通濾波 器設(shè)計方法來設(shè)計出集總參數(shù)帶通濾波器，使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)與平行禪合微帶線帶通濾 波器的集總參數(shù)等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)相一致，就能夠確定平行禪合微帶線帶通濾波 器的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。
[0018] W廣義切比雪夫類型濾波器的設(shè)計為例。當(dāng)需要設(shè)計一個廣義切比雪夫集總參數(shù) 帶通濾波器時，其技術(shù)指標(biāo)為:通帶位于[Wd, ?u]，其中COd是通帶下邊界角頻率，Wu是通 帶上邊界角頻率。通帶內(nèi)的回波損耗設(shè)為化。如果在零頻率處放置Np(Np為大于等于零的正 整數(shù))個傳輸零點(diǎn)，在有限正頻率處放置Nm(Nm為大于等于零的正整數(shù))個傳輸零點(diǎn)，在無窮 遠(yuǎn)正頻率處放置化(化為大于等于零的正整數(shù))個傳輸零點(diǎn)，則傳輸零點(diǎn)的總數(shù)N為
[0019] N=Np+Nm+化 （6)該傳輸零點(diǎn)的總數(shù)N也定義為廣義切比雪夫集總參數(shù)帶通濾波 器的階數(shù)。運(yùn)些傳輸零點(diǎn)用Sk= j Wk(其中k=l、2、…、N)來表示，j是復(fù)數(shù)單位，Wk是傳輸零 點(diǎn)所在的角頻率，Sk是傳輸零點(diǎn)所在的復(fù)數(shù)頻率。將運(yùn)些傳輸零點(diǎn)代入下面的變換關(guān)系之 中
(7)
[0021] 其中，《。是一個用于歸一化的特征頻率，一般而言可W任意選擇，方便計算。例 如，針對位于G化頻率范圍的濾波器，可W選擇《c = 23iX109rad/s"s為復(fù)數(shù)頻率，則歸一化 復(fù)數(shù)頻率為J = S/邱。兩=巧,/巧為歸一化通帶上邊界角頻率，瑪=巧,/巧為歸一化通帶 下邊界角頻率。Z是一個臨時復(fù)數(shù)變量。傳輸零點(diǎn)Sk= j COk(其中k = l、2、…、N)經(jīng)過上述變換 之后，得到在Z平面內(nèi)的點(diǎn)Zk(其中k=l、2、…、N)。
[0022] 由下面的公式來計算濾波多項式
巧） 巧
(峭
[0026] 其中