腔体交叉耦合滤波器设计

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。

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。

波导腔体与交叉耦合滤波器的设计的开题报告一、研究背景现代通信技术发展迅速，高速传输和数据处理技术得到了广泛的应用和推广，大大提高了通信网络的数据传输速率和质量。

而波导技术作为一种传输高频电磁波的技术，在通信领域中也得到了广泛的应用。

波导腔体是一种常见的波导导体结构，是由几何形状不同的导体构成的空腔，可以用于实现滤波、功率分配等功能。

交叉耦合滤波器在波导腔体中实现，可以实现高品质因子、低插入损耗和高功率处理能力的滤波器。

二、研究内容本文研究波导腔体与交叉耦合滤波器的设计，主要包括以下几个方面：1. 波导腔体的设计：选择合适的材料和尺寸，设计波导腔体的几何形状，以实现所需的滤波功能。

2. 交叉耦合结构的设计：通过调节交叉结构的材料、尺寸和形状等参数，实现波导腔体中的交叉耦合效应，达到所需的滤波性能。

3. 仿真分析：通过ANSYS等仿真工具对所设计的波导腔体和交叉耦合滤波器进行仿真分析，验证其滤波性能和工作特点。

4. 实验验证：通过实验验证设计的波导腔体和交叉耦合滤波器的性能和可行性，优化设计和改进实验结果。

三、研究意义与价值波导技术和交叉耦合滤波器的研究与应用，具有重要的意义和价值：1. 提高通信网络的传输速率和质量，促进通讯技术的发展。

2. 提升滤波器的工作性能和能力，提高其市场竞争力。

3. 促进波导技术的应用和推广，推动相关科研领域的发展。

4. 对于电子制造、机械制造等相关领域的发展，也会有积极的推动作用。

四、研究方法和技术路线本文主要采用“理论分析-电磁仿真-实验验证”的研究方法和技术路线。

理论分析阶段，我们将从实际应用出发，分别分析波导腔体和交叉耦合滤波器的基本原理和工作原理，以及设计所需的材料、尺寸和形状等参数。

在这个阶段，我们将推导出基本公式，并建立数学模型。

电磁仿真阶段，我们将使用ANSYS等工具对所设计的波导腔体和交叉耦合滤波器进行电磁场仿真分析，验证所设计的数学模型的正确性以及工作特点，设计优化。

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。

交叉耦合滤波器设计
随着通信频带的日益拥挤，能够获得低通带插入损耗下的陡峭阻带特性的微波滤波器，即能够约束阻带极点的滤波器成为大家关注的对象。

该类滤波器可以通过谐振腔交叉耦合的形式实现，而且可以实现非对称的滤波波形。

使用Ansoft软件可以很好地完成该类滤波器的仿真和设计。

交叉耦合波导滤波器Ansoft仿真设计
交叉耦合波导滤波器滤波曲线
交叉耦合微带滤波器Ansoft仿真设计
交叉耦合微带滤波器滤波曲线
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微波滤波器是微波系统中用于控制系统频响特性的二端口网络,在其通带频率内对信号表现为传输特性;而在其阻带频率内表现为衰减特性。

小型化交叉耦合腔体滤波器设计奚嘉舣;苏桦;张正严;赵云;崔博华【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)016【摘要】How to realize the small cross-coupled cavity filter by HFSS is described, designed a four-cavity filter, which material was copper, center frequency was O. 945 GHz, passband was 30 MHz, S21was lower than -20 dB at the frequency point of 10 MHz higher and lower than passband, S21 was higher than -0.5 dB and S11 was lower than - 10 dB in the passband. The filter size is 90 mm × 90 mm × 35 mm, which achieve a better band edge suppression without increasing the number of the cavities and is adjustable, compare with the filter that has the same performance it is much more smaller.%用HFSS仿真软件设计了以铜为材料,中心频率为0.945 GHz,带宽为30 MHz的小型化交叉耦合滤波器,带外10MHz处S21有-20 dB的衰减,带内S21大于-0.5 dB,S11＜-10 dB的四腔体滤波器.整个滤波器尺寸为90mm×90mm×35mm.在腔体数不增加的情况下,达到了较好的带边抑制.同相同滤波器性能相比,体积更小,而且可调试.【总页数】3页(P3664-3666)【作者】奚嘉舣;苏桦;张正严;赵云;崔博华【作者单位】电子科技大学微电子固体电子学院,成都610051;电子科技大学微电子固体电子学院,成都610051;电子科技大学微电子固体电子学院,成都610051;电子科技大学微电子固体电子学院,成都610051;电子科技大学微电子固体电子学院,成都610051【正文语种】中文【中图分类】TN713.7【相关文献】1.双层同轴腔交叉耦合的新型腔体滤波器 [J], 谢振雄;林福民;赵培伟2.小型化电容加载腔体滤波器设计 [J], 梁骏3.TE01δ模容性交叉耦合介质腔体滤波器设计 [J], 郭勤武;江娟;雷泽林;章天金4.一种小型化K波段腔体滤波器设计 [J], 孙书良; 高景涛5.小型化腔体交叉耦合滤波器快速设计与调试 [J], 奚嘉舣;唐晓莉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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 in out *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。

腔体与交叉耦合带阻滤波器的分析与设计的开题报告一、选题背景随着现代通信技术的飞速发展，人们对于无线通信和传输技术的需求越来越高。

而低通滤波器是通信系统中广泛使用的一种滤波器，具有较为重要的作用。

交叉耦合带阻滤波器是低通滤波器的一种，通过某些特定的设计方法可以实现一些特殊的功能。

同时，腔体也是一种常用的滤波器元件，它的特点是可以通过改变其几何形状和材料等参数来改变其频率响应。

因此，本课题选取了腔体与交叉耦合带阻滤波器的分析与设计作为研究对象，旨在深入研究这种滤波器的设计原理及其在通信系统中的应用，并且结合实验结果进行分析与讨论。

二、研究目的和意义本课题的研究目的是深入研究腔体与交叉耦合带阻滤波器的设计原理及其在通信系统中的应用。

通过分析分析带阻滤波器的基本原理，设计交叉耦合带阻滤波器的电路图，并利用电磁场仿真软件进行仿真分析，找出最佳设计方案。

最终，通过实验验证所设计的带阻滤波器的性能，可以对带阻滤波器在通信系统中的应用提供指导和参考，促进其进一步应用。

三、研究内容和方式本课题的研究内容主要包括：1. 分析带阻滤波器的基本原理，探究交叉耦合带阻滤波器的设计方法和原理；2. 设计带阻滤波器的电路图，通过电磁场仿真软件对其进行仿真分析；3. 分析和比较各种不同的设计方案，找出最佳的带阻滤波器设计方案；4. 利用实验验证所设计带阻滤波器的性能，进一步了解其在通信系统中的应用。

研究方式主要包括文献资料查阅、电路图设计、电磁场仿真分析和实验验证等方法。

四、预期成果及时间安排预期成果：1. 能够掌握带阻滤波器的基本原理及其在通信系统中的应用；2. 能够熟练地设计交叉耦合带阻滤波器的电路图，并通过电磁场仿真软件对其进行仿真分析；3. 能够分析和比较各种不同的设计方案，找出最佳的带阻滤波器设计方案；4. 能够通过实验验证所设计带阻滤波器的性能，进一步了解其在通信系统中的应用。

时间安排：1. 阅读相关文献，了解基本原理和设计方法，撰写开题报告（1周）；2. 设计带阻滤波器的电路图，并通过电磁场仿真软件对其进行仿真分析（6周）；3. 分析和比较各种不同的设计方案，找出最佳的带阻滤波器设计方案（2周）；4. 利用实验验证所设计带阻滤波器的性能，进一步了解其在通信系统中的应用（4周）。