[发明专利]一种微波滤波器计算机辅助设计方法

说明书

技术领域

本发明属于模拟信号处理技术领域，特别是涉及一种微波滤波器计算机辅助设计(CAD)方法。

背景技术

最近几年商用微波/射频电路计算机辅助设计(CAD)软件，特别是全波电磁场仿真(Full-Wave Electromagnetic)软件发展非常的迅速，这些商用软件可以用于微波滤波器的设计、建模、仿真，最后可以根据软件设计模型制作实际的微波滤波器。在过去十年里，计算机的速度和内存每两年就增长一倍，这些商用软件能够发展如此迅速主要是因为计算机的处理速度的快速增长。对于微波/射频电路设计软件，其仿真算法有FDTD、MOM、FEM、IE/BEM等，这些算法在用计算机实现的过程中都需要占用大量内存空间，计算机处理速度的不断增加就给这类软件的发展提供了契机。

另外利用全波电磁场仿真软件进行滤波器的设计会带来许多的优点。在进行滤波器设计生产的过程当中，除了对于必要设备的投资之外，主要花费在于材料和劳动力成本。传统的滤波器设计方法需要在进行滤波器的设计、制造、测试、调谐过程中花费大量的人力和材料资源，如果希望把这些成本降低到最小，就需要借助计算机辅助设计来实现。由于CAD工具都在计算机“虚拟”的环境中完成滤波器的设计，这为设计者提供了一个快捷方便的平台，而且随着各种CAD工具算法的不断改进，其仿真结果与实际特性相差很小，设计非常精确，这就会免除在实际设计中的许多重复性工作，设计出来的滤波器也不需要在较大的范围内进行调谐，同时设计周期也相应的缩短了许多，图5给处了一个5阶微带带通滤波器的仿真以及实测特性曲线，可以看到，利用全波电磁仿真设计的微带滤波器仿真结果与实测结果能够较好的吻合。

目前，计算机辅助设计微波滤波器的主要方法为参数提取法，具体方法参考Jia-Sheng Hong，M.J.Lancaster Microstrip Filters for RF/MicrowaveApplications.John Wiley&Sons，Inc.NEW YORK，2001。该方法首先通过滤波器设计因子g来计算滤波器端口的外部Q值以及各谐振器之间的耦合系数，然后利用计算机仿真工具对外部Q值和耦合系数进行参数提取，得到滤波器的初步尺寸，最后反复在仿真软件中对滤波器的物理尺寸进行微调再仿真，直到得到满足的工作特性。在实际应用中，由于该方法并未考虑不相邻谐振器带来的耦合影响以及由于谐振器耦合使得滤波器中每个谐振器的中心频率发生偏移的作用，使得利用该法得到滤波器的的频率特性一般距离理想结果还有较大差异，这就大大增加了之后物理尺寸微调的工作量，而且，微调仿真过程缺乏方向性，主要依靠人工经验，尤其在进行高阶滤波器仿真设计时其工作量会急剧增加，工作效率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效的计算机辅助设计方法，通过分析单端口滤波器的延时特性进行微波滤波器的仿真设计，本方法在应用中只需仿真滤波器结构的一半，然后根据滤波器的对称特性得到另一半尺寸，能够有效降低仿真时间，提高效率，另外，本方法充分考虑了滤波器不相邻谐振器之间耦合带来的影响以及各谐振器中心频率由于耦合的变化，使得利用本方法设计的滤波器中心频率以及带宽与设计要求非常吻合。另外，利用本方法在滤波器微调过程中，方向明确，不需要太多的人工调试经验。

为实现上述目的，本发明提供的一种微波滤波器计算机辅助设计方法，其主要步骤为：

1)根据所设计滤波器的中心频率确定谐振器的具体尺寸；

2)根据所设计滤波器的带宽、阶数N确定一组标准延时参数Γ1，Γ2…ΓN；

3)进行计算机辅助设计，首先对输入端口和第一阶谐振器组成的单端口网络进行电磁仿真，得到单端口时延特性，调整物理尺寸使其端口时延特性满足Γ1；

4)再加入第二阶谐振器，调整物理尺寸使其端口延时满足Γ2；

5)依此类推，得到半数谐振器的物理尺寸；

6)将调整好物理尺寸的谐振器镜像得到另一半物理尺寸，完成滤波器的设计。

上述方法中，步骤1的谐振器可以采取微带、带状线、腔体、波导或同轴等多种形式。

上述方法中，所述步骤2)，其特征在于，按照如下公式获取标准延时参数：