一种基于频变耦合结构的非对称双通带滤波器的设计方法

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，特别涉及双通带滤波器设计领域，具体为一种基于频变耦合结构的非对称双通带滤波器的设计方法。

背景技术

在现代微波滤波器的设计中，传输零点对于提高带外抑制度是至关重要的。交叉耦合结构因为实现各种传输零点的适应性，被普遍使用在微波滤波器的设计中。交叉耦合滤波器相比传统滤波器具有体积小，效率高，带外抑制度好，矩形系数高，设计灵活等诸多优点。然而，由于存在多种耦合路径，在产生传输零点的同时也大大增加了调试和拓扑结构的复杂度。针对这种缺陷，近年来，频变耦合结构越来越受到人们的关注。使用频变耦合结构设计的滤波器不仅可以实现拓扑结构的优化，实现线内拓扑结构；还能够独立控制传输零点的位置，减小滤波器调试的复杂度。

另外，在无线通信中，存在着将多个应用程序集成到一个单一系统中的趋势，这需要多通带滤波器。其中，双通带滤波器凭借着较为简单的设计方法和调试过程，被广泛的应用在各种通信系统中。为了设计双通带滤波器，通常采用两种方法：1)使用多模谐振器；2)使用频率变换法合成。第二种方法更灵活、更简单，因为它可以实现具有特定性能的滤波器，并且可以通过单频带滤波器设计中常用的技术来实现。

最近，有学者提出使用两个不同的低通原型来设计非对称双通带滤波器，该种滤波器可以实现不同的通带具有不同的带宽、阶数和回波损耗。但是，因为存在过多的交叉耦合路径，该滤波器同时也存在着难以仿真和设计的问题。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有非对称双通带滤波器设计时交叉耦合路径过多导致难以仿真和设计的问题，本发明提供了一种基于频变耦合结构的非对称双通带滤波器的设计方法，除了能够产生基于两个低通原型函数的非对称双通带滤波器，实现不同的通带具有不同的带宽、阶数和回波损耗；还能够消除滤波器的全部交叉耦合，实现线内拓扑结构，简化滤波器设计与仿真的难度。

一种基于频变耦合结构的非对称双通带滤波器的设计方法(如图7)，具体步骤如下：

步骤1、从两个低通原型的传输零点和反射零点出发，利用频率变换函数得到非对称双通带滤波函数的传输零点和反射零点。频率变换函数为：

S＝S'/a

S＝S'/a

其中未知参数a

/>

上式中，S＝jΩ，S'＝jΩ'，a

根据对应关系，确定两个通带之间的传输零点Z

步骤2、根据两个非对称通带具有不同的回波损耗的设计目标，调整Z

步骤3、在步骤2的基础上，根据滤波器综合理论得到非对称双通带滤波器的S参数和横向耦合矩阵M

步骤4、选定拓扑结构，将拓扑结构对应的含有未知参数的频变耦合矩阵通过矩阵相似变换转换为非频变耦合矩阵M

本发明基于频变耦合结构设计的非对称双通带滤波器，具备以下优点：

1、本发明将频变耦合结构应用于基于两个低通原型函数的非对称双通带滤波器的设计中，采用步骤4提出的优化方法求解出拓扑结构对应的频变耦合矩阵的所有未知参数，消除了原先的交叉耦合路径，所设计的传输零点可以由频变耦合结构产生和独立控制，进一步简化了滤波器的拓扑结构，减小了调试的复杂程度。

2、相较于传统的根据频率变换方法设计双通带滤波器，本发明所设计的双通带滤波器，在步骤1中将两个低通原型而不是一个转换为一个滤波器，合成了非对称的双通带滤波器。可以在不同的通带和规定的传输零点中合成不同阶数、回波损耗和带宽的双通带滤波器。

附图说明

图1是本发明非对称频变双通带滤波器的频率变换示意图；

图2是实施例非对称频变双通带滤波器理论多项式得到的S参数示意图；

图3是实施例非对称频变双通带滤波器的横向矩阵M

图4是实施例的频变耦合拓扑结构；

图5是实施例优化得到的频变耦合矩阵的S参数示意图；

图6是实施例非对称频变双通带滤波器频变耦合矩阵；

图7是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图1-7对本发明内容做进一步阐释。

首先，本实施例频率变换的示意图如图1所示，Ω域是低通原型的归一化频域，Ω'域是双通带滤波器的归一化频域，其中P

双通带滤波器的设计目标如下：第一个通带的阶数为两阶，回波损耗大于15dB，第二个通带的阶数为三阶，回波损耗大于20dB。两个通带的归一化带宽分别为(-1，-0.7)和(0.55,1)，Ω'

要设计的非对称双通带滤波器的通带宽度为100MHz，中心频率为1950MHz，三个传输零点相应为2107MHz、1954MHz和1954MHz，第一个通带带宽为1900MHz-1915MHz；第二个通带带宽为1977.5MHz-2000MHz，其S参数示意图如图2所示，横向耦合矩阵如图3所示。

最后，在已经的得到双通带滤波器横向耦合矩阵的基础上进行频变耦合矩阵的综合，选定的拓扑结构如图4所示，三个传输零点分别由腔体1和腔体2之间的频变耦合、腔体2和腔体3之间的频变耦合、腔体3和腔体4之间的频变耦合来控制形成，之后将频变耦合矩阵经过矩阵相似变换转换为非频变耦合矩阵M

优化法的目标函数为Cost＝(λ

针对上述目标函数，应用有约束非线性最小化函数fmincon进行优化，便可得到指定拓扑结构的频变耦合矩阵，目标函数的误差小于1*10-

通过以上实施例可见，本发明在进行基于两个低通原型函数的非对称频变双通带滤波器综合时，优化的结果与理论的多项式响应吻合良好。

本发明将频变耦合结构应用于基于两个低通原型函数的非对称双通带滤波器的设计中，将拓扑结构对应的频变耦合矩阵转换为非频变耦合矩阵后，通过有约束非线性最小化函数优化求解频变耦合矩阵的全部未知参数，从而消除了原先的交叉耦合路径，所产生N-1个传输零点可由频变耦合结构产生和独立控制，简化了滤波器的拓扑结构，减小了调试的复杂程度，N为滤波器的阶数。本发明可在不同的通带和规定的传输零点中合成不同阶数、回波损耗和带宽的双通带滤波器，实现线内拓扑结构，简化滤波器设计与仿真的难度，且极大提高了带外抑制和通带间的隔离程度。本发明为工程实践提供了一种较好的优化效果，具有重要的工程价值。