交叉耦合滤波器的综合设计

实验一交叉耦合滤波器设计与仿真、实验目的1. 设计一个交叉耦合滤波器2. 查看并分析该交叉耦合滤波器的 S 参数 、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。

这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合” ，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。

交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。

在等效电路模型中， el 表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻， ik(k=1,2,3,…,N )表示各谐振腔的回路电流，Mij 表示第i 个谐振腔与第k 个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N ，且i 丰j) o 在这里取3 0=1，即各谐振回路的电感L 和电容C 均取单位值。

Mkk ( k=1,2,3,…,N )表示各谐振腔的自耦合系数。

n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示：这个电路的回路方程可以写为e 1 R 1sjM 12 jM 13 jM 1, N 1 jM 1 N i 1 0 jM 12sjM 23jM2,N 1jM 2 Ni 2 0 jM 13jM 23sjM 3 ,N 1 jM 3ni 30 jM 1 ,N 1 jM 2, N 1 jM 3 ,N 1s jM N 1 , N i N 1 0jM 1 NjM 2 NjM 3NjM N 1,Ns R 2i Ne 1M121F1M2k1FMk,N 1.1F1,N1F1 1皿恢rMkN 'M 2,N 1或者写成矩阵方程的形式:E ZI (sU ° jM R)lR 1k1，N其中，s一般来讲，频率都归一成1，即0=1,则jM ij j M j j 0M ij其中E为电压矩阵，1为电流矩阵，Z为阻抗矩阵，Z sU o jM0 RU0是NX N阶单位矩阵。

M是耦合矩阵，它是一个NX N阶方阵，形式如下：0M 12M 13M 1, N 1M 1 NM 120M 23M 2,N 1M 2 NM 13M M 230M 3, N 1M 3 NM 1, N 1M 2, N 1M 3 , N 10M N 1, NM 1 N M 2 N M 3N M N 1, N0其中对角线上的兀素代表每一个谐振腔回路的自耦合,表示每一个谐振腔的谐振频率fi与中心频率f0之间的偏差。

交叉耦合带通滤波器集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）大学课程设计任务书注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

指导教师签名：日期：90 2 34 5 57前言微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。

在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。

?众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L 和电容C）构成的谐振回路来实现。

但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。

这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显着，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。

?任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。

微波元件种类很多。

按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。

本文正是根据微波滤波器的特性设计一种微带交叉耦合带通滤波器，要求其小型化、频段规则性高、边缘陡峭，可用于小型化天线系统。

摘要：交叉耦合滤波器具有高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，已被广泛应用于现代微波通信系统中，本文拟采用高品质谐振腔交叉耦合的形式实现该带通滤波器，结构简单紧凑，通带陡度较高，适合小型化设计，性能较高的天线或雷达双工器等电路使用。

关键词：交叉耦合滤波器、微带线、设计、HFSS一、背景知识1、滤波器的发展凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。

第一章滤波器简介和设计思想1、滤波器概念和简介滤波器是通信工程中常用的重要器件，它对信号具有频率选择性，在通信系统中通过或阻断、分开或合成某些频率的信号。

虽然滤波器的物理实现形式多种多样，但其等效电路网络的拓扑结构是相同的。

显然，滤波器的设计要根据各种因素综合考虑。

通常的，滤波器设计中考虑的主要因素有：●体积和重量●品质因数Q●带宽●调谐范围●耦合结构●功率容量●造价根据不同的波段和应用，各种形式的滤波器可以简单的列表见表1.1，其滤波器实物见图1.1。

表1.1 滤波器工程应用频段UHF L/S C X/Ku Ka工艺SAW螺旋介质梳状平面波导梳状SAW介质平面高温超导波导介质波导高温超导平面梳状介质波导平面波导介质平面应用移动通信卫星通信PCS卫星通信MMDS卫星通信卫星通信链接LMDS卫星图1.1 不同形式的滤波器实物照片2、综合，还是优化传统的滤波器设计，采用网络综合的方法。

所谓网络综合，是预先规定元器件特性而用网络去实现的一个过程。

它大致包括三个步骤：提出目标，即理想响应；选用可能的函数去逼近理想响应；设法实现具有逼近函数特性的网络。

由于采用的逼近函数不同，一般有Butterworth综合、Chebyshev综合、椭圆函数综合等滤波器设计方法。

计算机技术的不断发展为滤波器优化设计提供了可能。

是采用综合的方法，还是采用优化的方法完成滤波器设计呢？它们各自的特点见表1.2。

表1.2 综合与优化设计方法的比较综合优化明确的数学和物理意义可能是最优的有效的需要特定的函数有时是困难和耗时的理论较少，更实际公式简单适应市场需要非特定规划的可能是低效率、耗时和非唯一的近年来，随着计算机计算能力的急剧提高和全波电磁仿真软件（如Ansoft）的大力发展，优化的方法好像越来越有效和简单。

但是，无论计算能力多么巨大，仿真软件如何优秀，单纯地依赖优化的方法仍然有其固有的局限性。

首先，优化的方法需要确定优化的变量和代价函数，通常代价函数可以采用实际响应和理想响应的差距，而优化变量的确定就复杂得多，实际中常常是已确定网络的拓扑，优化元件值；或者已确定基本的结构优化物理尺寸等等。

微带交叉耦合滤波器的结构及设计
微带交叉耦合滤波器是一种金属剩余波段滤波器，可用于宽带信号过
滤和多波段分频。

它具有良好的带宽和相邻频段泄漏特性。

该过滤器
可以用于装备移动通信系统中信号分离和信号过滤的作用，能够提供
低阻抗和低损耗的优良特性，专业用于移动电话和交流通信领域。

沙坑式的微带交叉耦合滤波器由沙坑状的3D加减结构构成，是使用双阈值材料或多层次局部片加制成的微带结构。

该滤波器的阻尼相关特
性依赖于局部片的体积空间分布，其带宽与耦合系数有很大的相关性。

微带交叉耦合滤波器的设计参数有耦合率（CG）、匹配环节带宽（BW）、插入损耗（IL）、输出不平衡（IOI）、通带截止损耗
（C2L）、抑制条件（SC）等。

而在进行设计时，还需考虑其他一些
参数，例如材料的元件尺寸、表面贴装技术等。

微带交叉耦合滤波器设计要充分考虑以上参数，保证设计满足要求，
并保证设备质量，便于量产质量表现。

微带交叉耦合滤波器通常采用
物理设计与电子装配相结合的设计方案，进口物理设计，并采用平高
压双面玻璃板精确玻璃图解画出其形状，完成布线方案，至于电子装配，则需要采用品牌IC、品牌元件、抗干扰技术、高精度的装配技术，这样才能保证微带交叉耦合滤波器的品质和性能，并最大程度满足客
户的要求。

交叉耦合滤波器的综合理论研究的开题报告题目：交叉耦合滤波器的综合理论研究1. 研究背景和意义滤波器是信号处理中非常基础的技术，其作用是去除噪声和不需要的频率成分，留下所需的信号成分。

传统的滤波器一般采用LC电路结构，但由于电感器的尺寸和成本限制，这种滤波器的使用范围受到很大的限制。

而交叉耦合滤波器则是一种新型的滤波器结构，其优点在于能够实现高度集成和灵活性，可以应用于各种尺寸的电路中。

交叉耦合滤波器可以用于无线通信、雷达信号处理、数字信号处理等领域，具有较大的应用潜力。

但目前对于交叉耦合滤波器的理论研究还比较少，需要深入探讨其性能特点和设计方法，以提高其应用的可靠性和稳定性。

因此，本研究旨在综合理论的角度对交叉耦合滤波器进行深入的研究，以期为相关领域的工程应用提供有效的支持和指导。

2. 研究内容本研究将围绕交叉耦合滤波器的基本结构、工作原理、性能特点及设计方法等方面展开深入的研究，主要包括以下内容：（1）介绍交叉耦合滤波器的基本概念和原理，分析其特点和优势；（2）研究交叉耦合滤波器的频率响应、相位响应等特性，并与传统滤波器进行比较，分析其性能差异；（3）探究交叉耦合滤波器的设计方法，包括设计参数的选取、优化方法和实现技术等方面；（4）通过实验验证，评估交叉耦合滤波器的性能和可靠性，分析其在工程应用中的适用性和优缺点。

3. 研究方法和技术路线本研究采用综合理论与实验相结合的方法，通过文献调研、数学分析和电路仿真等手段，深入研究交叉耦合滤波器的基本原理和设计方法，并进行实验验证。

具体技术路线如下：（1）文献调研和归纳总结，了解现有研究进展和不足；（2）建立交叉耦合滤波器的数学模型，分析其特性和性能；（3）基于网络仿真和电路模拟软件，进行交叉耦合滤波器的电路设计和性能优化；（4）制作交叉耦合滤波器的实验样品，进行实验测试和性能评估，并与传统滤波器进行比较分析。

4. 研究预期成果本研究预期得到以下成果：（1）深入理解交叉耦合滤波器的基本原理和性能特点，为其优化设计和工程应用提供重要的理论支持；（2）建立交叉耦合滤波器的数学模型，分析其频率响应、相位响应等特性，并与传统滤波器进行比较分析；（3）探究交叉耦合滤波器的设计方法，包括参数选取和优化方法，并通过实验验证其性能和可靠性；（4）提出基于交叉耦合滤波器的新型信号处理方法，丰富滤波器的应用领域。

一种新型交叉耦合微带滤波器的设计
一种新型交叉耦合微带滤波器的设计
曹锐;孙振鹏
【摘要】文章通过对当前一种先进微带滤波器进行等效电路分析,并进行多方位的仿真和拟合计算,最终设计出6阶高选择性微带滤波器,理论分析和全波仿真结果近似一致;该滤波器不仅尺寸小,而且通带性能好,带外抑制度高;可广泛应用于平面电路中,在MMIC、超导技术等先进电路中也有很高的使用价值.
【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(029)004
【总页数】4页(P444-447)
【关键词】微带滤波器;开环谐振器;耦合系数
【作者】曹锐;孙振鹏
【作者单位】华东电子工程研究所,安徽,合肥,230031;合肥工业大学,电气与自动化工程学院,安徽,合肥,230009;华东电子工程研究所,安徽,合肥,230031
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术
第 29 卷第 4 期 2006 年 4 月合肥工业大学学报（自然科学版）JOURNAL OF HEFEi UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.29No.4Apr.2006 一种新型交叉搞合微带滤波器的设计曹锐J,2 ，孙振鹏1(1.华东电子工段研究所．安徽合肥 230031 : 2.合肥工业大学电气与自动化工程学院．安徽合肥230009)摘要：文章通过对当前一种先进微带滤波器进行等效电路分析，并进行多方位的仿真和拟合计算，敲终。

微带交叉耦合型滤波器研究与设计杨永侠，王亚亚（西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安710032）摘要：为了进一步实现滤波器的小型化，便于集成，本文根据滤波器的设计理论，详细阐述了如何利用ADS软件来设计、仿真及其优化带宽为100MHz的交叉耦合微带带通滤波器，结果表明此设计不但达到了目标参数的设计要求，而且实现了滤波器的小型化。

关键字：微带滤波器；交叉耦合；带通滤波器；ADS滤波器的主要的功能是用来分隔频率，让需要的频率信号通过，抑制不需要的频率信号，它的性能的好坏直接影响到整个系统的优劣。

射频和微波电路中最常用的是微带线滤波器，常见的微带线滤波器有平行耦合型，发夹型，交指型，交叉耦合型等等。

本文设计的是交叉耦合型带通滤波器。

交叉耦合型滤波器是半波长耦合滤波器的一种变形结构，是把半波长谐振器折合成“U”型结构，然后相互交叉，因此结构紧凑，尺寸较小，具有较好的性能，在微波电路中有着良好的应用前景。

滤波器的性能主要由微带线的物理参数决定，这些参数包括：谐振器长度、谐振器间的耦合间距以及抽头位置等。

所以，设计滤波器的重点与难点就是对这些物理参数的确定。

本文通过对通带为3.0——3.1GHz滤波器的ADS设计详细叙述了微带交叉耦合型滤波器的设计方法，并研究了物理参数对滤波器性能的影响。

收稿日期：2012-04-09作者简介：杨永侠(1962-)，女，西安工业大学，教授，主要从事信号处理与电磁兼容方面的研究。

Email: ****************手机：139****8800；*通讯作者：王亚亚，*********************1 交叉耦合型滤波器的设计原理1.1 交叉耦合带通滤波器原理Z,Z分别交叉耦合滤波器以开路式对称耦合微带单元级联而成，如图1(a)示：式中。

0o0e表示耦合微带的奇模、偶模特性阻抗，c θ表示耦合微带线的电长度。

其1A 矩阵为： 220e+0o 0e-0o 0e+0o 0e-0o 0e-0o 10e+0o 0e-0o 0e-0o Z Z (Z )(Z )cos cos Z Z 2(Z )sin 2sin Z Z cos Z Z Z Z c c c c c Z Z θθj Z θA θj θ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦(1) 该耦合单元可以等效成一个导纳倒置器和接在两端的两端长度为c θ、特性导纳为0Y 传输线的组合。

实验一 交叉耦合滤波器设计与仿真一、 实验目的1.设计一个交叉耦合滤波器2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S 参数二、 实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、 实验原理具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。

这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。

交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。

在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的回路电流，Mij 表示第i 个谐振腔与第k 个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N ，且i ≠j)。

在这里取ω0=1，即各谐振回路的电感L 和电容C 均取单位值。

Mkk （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的自耦合系数。

n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:这个电路的回路方程可以写为或者写成矩阵方程的形式：I R M sU ZI E )(0++==j 其中，⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+=ωωωω11j j j s 一般来讲，频率都归一成1，即ω≈ω0=1,则其中E 为电压矩阵，I 为电流矩阵，Z 为阻抗矩阵，U0是N ×N 阶单位矩阵。

M 是耦合矩阵，它是一个N ×N 阶方阵，形式如下：其中对角线上的元素代表每一个谐振腔回路的自耦合，表示每一个谐振腔的谐振频率fi 与中心频率f0之间的偏差。

（在同步调谐滤波器中，认为它们的值都取零）。

R 矩阵是N ×N 阶方阵，除R(1,1)=R1，R (N,N)=R2为非零量以外，其它元素值都等于零。

那么，这个电路的传输函数可以写为其中，D(cofZ1N)表示Z 矩阵第一行、第N 列元素的代数余子式，D(Z)表示Z 矩阵的行列式。

相应地,通带增益频响特性为取 n =3，可得 3×3 阶耦合矩阵M ：3阶椭圆函数滤波器的低通增益函数修正为：其中上述方法中的等波纹系数也必须进行修正，修正方法有下列两种：(1)取n F 导数为零的点，得到(－1，1)内各点的最大值α，有：(2)令标准椭圆函数与修正后的椭圆函数在边带上的衰减相等，从而求得修正后的纹波系数：四、 实验内容设计一个交叉耦合滤波器，其指标要求如下：中心频率：910MHz带宽：40MHz带内反射：< 20dB带外抑制：在MHz 处>20dB此滤波器通过三腔微带结构(环形谐振器)实现。

腔体交叉同轴滤波器设计传输零点位置的判定图中A、B端口间的串联电感代表感性耦合，对传输信号相移约−90o，串联电容表示容性耦合，对传输信号相移约+90o。

并联电容电感回 路代表谐振器，在谐振点处相移为零，在谐振频率低端呈现约+90o相移，在谐振频率高端呈现约−90o相移。

因此，滤波器的交叉耦合可 用示意图2表示，图中含有编号的圆圈代表谐振器，其间的电感与电容表示谐振器之间的耦合关系，其他数字表示信号相移度数。

如果首尾输入输出谐振器(图2中1与3或1与4)间的各传输通道附加相移相反，传输信号破坏性叠加的结果会 在传输通带带边生成传输零点，谐振器的相移特性决定了传输零点在通带高端或低端，而交叉耦合强度决定其距通带中心的位置，耦合越 强，传输零点距通带越近。

因此，图2中的交叉耦合确定了传输零点的相对位置与个数。

在图2中，结构(a)的传输通带高端带边出现一个 传输零点，这是由于只有在谐振器2的谐振频率高端，主传输通道(1→2→3：相移为−90o−90o−90o=−270o)与交叉耦合通道(1→3：相 移为−90o)间的相移才是相反的；结构(b)在通带低端带边出现一个传输零点；结构(c)在通带高端与低端带边各出现一个传输零点；结构 (d)中不出现实频率传输零点，但出现虚频率零点，使其通带内的群时延特性更平坦[1]；结构(e)中两条交叉耦合通道导致通带高端带边出 现两个传输零点；结构(f)中两条交叉耦合通道使得通带低端带边出现两个传输零点。

新锐科技技术部2007-12-28腔体布局的设计根据设计目标，依据上文的零点判定方法，选 择布局由于分布参数电路的特点，交叉耦合多为 平面内实现；实现交叉的方法有限；偶数 节数耦合器多用并排方式，奇数可以是中 线对称结构一下实例一个PHS频段的滤波器设 计，选择4节设计，1-4节交叉inout*红色箭头表示交叉耦合；可以有多 种选择新锐科技技术部2007-12-28耦合系数选择耦合系数选择难度较大，因为我不会复杂的矩阵计算，看都看不懂惭愧。

实验一交叉耦合滤波器设计与仿真、实验目的1•设计一个交叉耦合滤波器 2•查看并分析该交叉耦合滤波器的 S 参数、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理具有带外有限传输零点的滤波器， 常常采用谐振腔多耦合的形式实现。

这种形式的特点 是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。

交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。

在等效电路模型中，el 表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik( k=1,2,3,…,N ) 表示各谐振腔的回路电流，Mj 表示第i 个谐振腔与第k 个谐振腔之间的互耦合系数 (i,j=1,2,…,N ,且 片j)。

在这里取3 0=1,即各谐振回路的电感 L 和电容C 均取单位值。

Mkk(k=1,2,3,…,N )表示各谐振腔的自耦合系数。

n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示：这个电路的回路方程可以写为e 1 R 1 sjM 12 jM 13 jM 1, N 1 jM 1N 11 0 jM 12sjM 23jM2, N 1 jM 2N 12 0 jM 13jM 23sjM3, N 1 jM 3n i 3jM 1 ,N 1jM 2 ,N 1 jM 3, N 1s jM N 1 ,N1 N 1 0jM 1 N jM 2 NjM 3NjM N 1 ,Ns R 2i Ne 1M121F1 1FM2k1FMk,N 1.1F1,N1F1 1皿恢r MkN 'M2,N 1或者写成矩阵方程的形式：E ZI (sU ojM R)lR 1k41，N一般来讲，频率都归一成 1，即3 0=1,则jM ijj M j jM i j其中E 为电压矩阵，1为电流矩阵， Z 为阻抗矩阵，Z sU o jM oRU0是N X N 阶单位矩阵。

M 是耦合矩阵，它是一个N X N阶方阵，形式如下:0 M 12 M 13M1, N 1M 1 NM 12M 23M 2,N 1M 2 NM 13MM 23M3, N 1M 3 NM 1 , N 1 M 2, N 1 M 3 , N 1M N 1, NM 1 NM 2 NM 3NM N 1, N其中对角线上的元素代表每一个谐振腔回路的自耦合，表示每一个谐振腔的谐振频率 fi 与中心频率f0之间的偏差。

第32卷 第1期2011年3月制 导 与 引 信GU IDANCE&FUZEV o l.32No.1M ar.2011文章编号:1671 0576(2011)01 0040 05一种小型化发夹型双频交叉耦合滤波器的设计汪 敏, 王 银, 吴 文(南京理工大学近程高速目标探测国防重点实验室,江苏南京210094)摘 要:结合交叉耦合滤波器综合技术及利用寄生通带实现双通带方法进行双频带通滤波器的设计。

将阶梯阻抗谐振器(SIR)结构引入小型化发夹谐振器,利用寄生通带灵活设计双频带通滤波器;利用交叉耦合技术在滤波器阻带产生传输零点,以实现高性能的带外抑制特性;选取4阶2对称传输零点的拓扑结构来实现双频交叉耦合矩阵。

研制出的四阶小型化发夹型双频带通滤波器中心频率为2.35GH z和5.15GH z,带外衰减基本在30dB以上;体积小、性能好,具有很好的实用性。

关键词:交叉耦合;双频;带通滤波器中图分类号:T M93 文献标识码:AA Double frequency Cross Coupling Filter Design UsingCompact Hairpin ResonatorsWA N G M in, WA N G Yin, W U Wen(M inisterial Key Labor ator y o f JGMT,Nanjing U niv ersity o fScience and Technolog y,Nanjing Jiangsu210094,China)Abstract:A new design on dual frequency bandpass filters has been investigated by in teg rating cross coupling filter synthesis techniques w ith utilizing parasitic passband o f re so nators to perform the seco nd passband.Step impedance resonators are introduced to hair pin r esonators to achiev e dual frequency resonators.Ex cellent stopband per for mance is real ized by pro ducing appropr iate transm ission zeros by cross coupling betw een resonato rs w ith out off band depression characteristic of high perform ance.T he topolog ical structure o f four step tw o sym metr y transmission zero is selected to realize dual fr equency cro ss co upling ma trix.A dual frequency bandpass filter operating at frequencies of2.35GH Z and5.15GH z, w ith isolation in stopband mor e than30dB,has been successfully dev elo ped and m easured results match simulated ones v ery w ell.Key words:cross coupling;double frequency;bandpass filter收稿日期:2010-12-29作者简介:汪 敏(1972-),女,副教授,主要从事微波电路及天线技术的研究。