含非諧振節(jié)點濾波器的耦合矩陣綜合方法

柳浩,李勝先

中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安710000

含非諧振節(jié)點濾波器的耦合矩陣綜合方法

柳浩,李勝先*

中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安710000

基于非諧振節(jié)點理論,提出了一種改進(jìn)的直接耦合矩陣綜合方法。通過將非諧振節(jié)點看作諧振點,采用經(jīng)典耦合矩陣綜合方法得到耦合矩陣,再對矩陣作相似變換,使非諧振節(jié)點位置相對應(yīng)的元素不含傳輸零點信息,并對其所在行列作比例變換,使其還原為非諧振節(jié)點,直接綜合得到可用于設(shè)計含非諧振節(jié)點濾波器的耦合矩陣。這種綜合方法簡化了含非諧振節(jié)點濾波器的綜合、拓?fù)渲貥?gòu)和性能仿真,Matlab和HFSS仿真結(jié)果驗證了這種綜合方法的合理性和可行性。

濾波器;耦合矩陣;非諧振節(jié)點;諧振點;相似變換;傳輸零點

Key words:filter;coupling matrix;nonresonating node;resonating node;similarity transformation;transmission zero

廣義切比雪夫濾波器廣泛應(yīng)用在各種微波系統(tǒng)中,如衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等,在通過實現(xiàn)有限傳輸零點來提高選擇性[1]方面,交叉耦合方法要實現(xiàn)N階N個傳輸零點,需要源與負(fù)載的直接耦合,這樣就限制了帶通濾波器輸入與輸出間的隔離。另外,提取極點技術(shù)需要主通路上增加額外的相位,增加了濾波器的體積和質(zhì)量。

為了消除以上兩種方法固有的缺陷,2004年, Amari和Rosenberg首先提出了非諧振節(jié)點[2](Non-Resonating Node,NRN)的概念,可實現(xiàn)N階N個傳輸零點而不需要源與負(fù)載的直接耦合。諧振器與非諧振節(jié)點的模塊化設(shè)計特性也非常優(yōu)越,通過級聯(lián)產(chǎn)生傳輸零點的單元結(jié)構(gòu),使級聯(lián)單元獨立控制其相對應(yīng)的零點。這種結(jié)構(gòu)的濾波器便于設(shè)計和調(diào)試。

從非諧振節(jié)點的提出至今,關(guān)于含有非諧振節(jié)點濾波器綜合方法的研究主要集中在電路網(wǎng)絡(luò)綜合[3]和耦合矩陣的優(yōu)化[4]。結(jié)合非諧振節(jié)點理論,筆者對濾波器耦合矩陣的經(jīng)典綜合法[5]進(jìn)行改進(jìn),提出了一種含非諧振節(jié)點濾波器的耦合矩陣綜合方法,避免了設(shè)計時的反復(fù)調(diào)整,提高了效率。

1 經(jīng)典耦合矩陣綜合方法在含非諧振節(jié)點情況下的改進(jìn)

諧振器與非諧振節(jié)點的等效電路如圖1所示,B和BNRN分別為諧振點和非諧振點電抗。

圖1 諧振節(jié)點和非諧振節(jié)點的等效電路Fig.1 Equivalent circuits of resonating node and non-resonating node

非諧振點NRN是一個接地頻不變電抗,利用非諧振節(jié)點級聯(lián)[6]產(chǎn)生傳輸零點的濾波器模塊,可以獨立維持每個模塊各自的性能,常用的兩種級聯(lián)拓?fù)淙鐖D2所示。矩形和圓圈分別表示諧振節(jié)點和非諧振節(jié)點,圖2(a)、(b)差別在于級聯(lián)模塊間非諧振節(jié)點的數(shù)量,但不影響濾波器的階數(shù),級聯(lián)部分可分別由1/4波導(dǎo)波長和膜片實現(xiàn)[7]。

圖2 四階非諧振節(jié)點級聯(lián)的兩種拓?fù)銯ig.2 Topologies of fourth-order filters cascaded by non-resonating node

包含諧振節(jié)點和非諧振節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)耦合矩陣形式的電路分析與經(jīng)典耦合諧振濾波器綜合式基本相同。導(dǎo)納矩陣形式的網(wǎng)絡(luò)分析[5]為

耦合網(wǎng)絡(luò)中存在Nr個諧振點和Nnr個非諧振節(jié)點,都是通過變換器Jij相互耦合,J即為耦合矩陣,且諧振節(jié)點的電容值歸一化,如圖1(a)所示。向量V表示節(jié)點電壓,激勵源為電流源IT=[1 0 0…0 0]。這樣一個結(jié)構(gòu)中節(jié)點的總數(shù)為NL=Nr+Nnr+2,節(jié)點NS=1和節(jié)點NL分別為源和負(fù)載。源和負(fù)載也歸為非諧振節(jié)點,終端電導(dǎo)歸一化,終端導(dǎo)納矩陣用G表示,且G為NL×NL的對角矩陣,除了GNS,NS=GNL,NL=1外,其他元素Gii=0。

含非諧振節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于頻率變量矩陣ωW[6],對角矩陣W中WNS,NS=WNL,NL=0,且節(jié)點k若為諧振點,則Wkk=1;節(jié)點k若為非諧振節(jié)點,則Wkk=0。

取圖2(a)中4階的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說明綜合過程,其回波損耗20 dB,4個有限傳輸零點j[2.4-2.4 3.6-3.6]。首先將非諧振節(jié)點3、4作為諧振節(jié)點,頻率變量矩陣ωW中只有WNS,NS=WNL,NL=0。此時拓?fù)錇镹=6階,依據(jù)經(jīng)典N+2耦合矩陣綜合方法,直接構(gòu)建N+2橫向耦合矩陣,然后經(jīng)過一系列相似變換,可得到CQ結(jié)構(gòu)對應(yīng)的耦合矩陣M,見式(2)。

響應(yīng)曲線如圖3中虛線所示。

諧振單元3、4的自耦合M33=M44=0,且不包含兩個傳輸零點信息,所以可以將3、4作非諧振節(jié)點,此時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇閳D2(a),頻率變量矩陣ωW中WNS,NS=WNL,NL=W33=W44=0,而W11=W22=W55=W66=1。

非諧振點有一個很好的特性[8-9],與非諧振點相連的變換器值的比例保持一定,則濾波響應(yīng)保持不變。通過比例變換非諧振節(jié)點處的變換器值,可使非諧振節(jié)點間的變換器歸一化,便于實際結(jié)構(gòu)設(shè)計,即M34=M43=1,如式(3)所示,響應(yīng)曲線如圖3中實線所示。

對比圖3中的響應(yīng)曲線,含NRNS節(jié)點的4階濾波器在過渡帶衰減略慢于同拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)下的6階,即在源和負(fù)載無直接耦合的情況下,實現(xiàn)了4階4個有限傳輸零點。

圖3 圖2(a)中拓?fù)鋵?yīng)的6階(NRNS作RNS)和4階耦合矩陣響應(yīng)曲線對比Fig.3 Coupling matrix response of sixth-order and fourth-order topologies in Fig.2(a)

2 綜合方法在波導(dǎo)濾波器中的設(shè)計應(yīng)用

耦合矩陣綜合結(jié)果式(3),取中心頻率為12 GHz,帶寬100 MHz,依據(jù)圖2(a)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?采用TM簡并雙模TM120和TM210的諧振腔結(jié)構(gòu)作為諧振模塊[10],1/4波長波導(dǎo)作為級聯(lián)模塊,建立兩腔雙模4階濾波器模型,如圖4所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后HFSS全波仿真如圖5所示。設(shè)計1/4波導(dǎo)波長時將耦合縫隙的負(fù)載效應(yīng)考慮進(jìn)去[11],有利于最終濾波器的整體優(yōu)化。

圖4 4階TM雙模濾波器結(jié)構(gòu)Fig.4 Two-cavity fourth-order TM dual-mode filter

圖5 4階TM雙模濾波器HFSS仿真響應(yīng)Fig.5 HFSS simulation of fourth-order TM dual-mode filter

從圖5可以看出,濾波器的中心頻率和帶寬基本都達(dá)到了要求,回波損耗-20 dB以下,帶內(nèi)出現(xiàn)了4個反射零點,阻帶的兩對傳輸零點的位置也基本與預(yù)期設(shè)計相符。

3 結(jié)束語

結(jié)合濾波器的直接耦合矩陣綜合方法和非諧振節(jié)點理論,提出了一種含非諧振節(jié)點濾波器的耦合矩陣綜合方法。這種方法根據(jù)非諧振節(jié)點的特性,以諧振節(jié)點看待,然后根據(jù)經(jīng)典耦合矩陣綜合方法綜合,再對結(jié)果耦合矩陣中相對應(yīng)的位置作相似變換以及對其所在行列作比例變換,使其還原為非諧振節(jié)點,與等效電路相符,最終的耦合矩陣便可用來指導(dǎo)設(shè)計所需濾波器。方法既保留了耦合矩陣原有的優(yōu)點,又將非諧振節(jié)點的特殊情況考慮進(jìn)去,極大地方便了含非諧振節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的濾波器的綜合設(shè)計。將其應(yīng)用于一款中心頻率12 GHz、帶寬100 MHz的TM雙模波導(dǎo)帶通濾波器中,經(jīng)HFSS仿真,其實用性和有效性得到驗證。在衛(wèi)星有效載荷多工器的應(yīng)用中,這種結(jié)構(gòu)的濾波器在保證插入損耗低、功率容量大的前提下,能夠有效減小信道濾波器的體積和質(zhì)量。

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(編輯:高珍)

Direct coupling matrix synthesis technique for filters with non-resonating nodes

LIU Hao,LI Shengxian*
ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi'an),Xi'an710000,China

An improved direct coupling matrix synthesis technique was presented based on the theory of nonresonating nodes.By treating nonresonating nodes as resonating nodes,the coupling matrix was obtained using the canonical synthesis.Then similar transform was conducted to the matrix so that the elements corresponding to the location of nonresonating nodes contain no information on transmission zeros.And proportional transform was conducted to the rows and columns of the elements,so the filter network included nonresonating nodes again. Then the matrix which may be used to design the filters with non-resonating nodes was obtained. The method simplifies the synthesis,reconfiguration and simulation of filters with nonresonating nodes.Simulation results in MATLAB and HFSS prove the synthesis technique reasonable and feasible.

TN713

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0023

2015-10-23;

:2015-12-11;錄用日期:2016-02-24;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間:2016-04-19 15:31:20

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1531.007.html

柳浩(1990-),男,碩士研究生,liu1990hao@126.com

*通訊作者:李勝先(1974-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,lisx@aast504.com,主要研究方向為微波無源技術(shù)、衛(wèi)星通信等

柳浩,李勝先.含非諧振節(jié)點濾波器的耦合矩陣綜合方法[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2016,36(2):46-49.LIUH,LISX.Directcouplingmatrixsynthesistechniqueforfilterswithnon-resonatingnodes[J].ChineseSpaceScienceand Technology,2016,36(2):46-49(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn