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目 录
1 绪论 ......................................................................................................... 1
1.1 研究背景及意义 ............................................................................... 1
1.2 空间映射方法的提出和研究现状 .................................................. 2
1.3 本文主要工作 ................................................................................... 6
2 微波滤波器基本理论 ............................................................................ 7
2.1 微波滤波器的主要参数................................................................... 7
2.2 微波滤波器的分类 ........................................................................... 7
2.2.1 按频率响应分类 ......................................................................... 7
2.2.2 按元件类型划分 ......................................................................... 8
2.3 微波滤波器电路结构 ....................................................................... 9
2.3.1 低通原型滤波器电路 ................................................................. 9
2.3.2 频率变换 ................................................................................... 10
2.3.3 带通滤波器电路 ....................................................................... 11
2.3.4 J/K 变换器 ................................................................................. 11
2.4 耦合矩阵 ......................................................................................... 14
2.4.1 耦合矩阵概念 ........................................................................... 14
2.4.2 耦合矩阵与电路原理 ............................................................... 15
2.5 本章小结 ......................................................................................... 17
3 空间映射方法与参数提取 .................................................................. 19
3.1 空间映射方法 ................................................................................. 19
3.1.1 初始空间映射方法(OSM) ....................................................... 20
3.1.2 主动空间映射方法(ASM) ....................................................... 20
3.1.3 隐式空间映射方法(ISM) ......................................................... 22
3.2 滤波器耦合参数提取 ..................................................................... 23
3.2.1 软件辅助提取 ........................................................................... 23
3.2.2 多端口参数提取 ....................................................................... 24
3.3 本章小结 ......................................................................................... 26
4 基于主动空间映射的滤波器设计实例 .............................................. 29
4.1 基于理想耦合矩阵修正的微带开环滤波器设计 ........................ 29
4.1.1 理想耦合矩阵综合 ................................................................... 29
4.1.2 耦合参数与对应物理尺寸关系曲线....................................... 30
4.1.3 两步优化结合空间映射的滤波器设计 .................................. 32
4.1.4 微带开环滤波器仿真注意事项 ............................................... 36
4.2 微带开环滤波器实物 ..................................................................... 38
4.2.1 AutoCAD 建模 .......................................................................... 38
4.2.2 实物加工与测试 ....................................................................... 38
4.3 基于多端口参数提取的腔体滤波器设计 .................................... 39
4.3.1 理想耦合矩阵综合 ................................................................... 39
4.3.2 耦合参数与对应物理尺寸关系曲线....................................... 40
4.3.3 多端口参数提取与主动空间映射结合设计滤波器 .............. 42
4.4 腔体滤波器实物 ............................................................................. 45
4.4.1 SOLIDWORKS 建模 ................................................................ 45
4.4.2 实物加工与组装 ....................................................................... 45
4.4.3 实物调试 ................................................................................... 47
4.5 本章小结 ......................................................................................... 48
5 计算机辅助软件与滤波器设计自动化 .............................................. 49
5.1 辅助软件功能分析 ......................................................................... 49
5.2 辅助软件功能实现基础................................................................. 49
5.2.1 MATLAB 及其 GUI 简介 ......................................................... 49
5.2.2 ANSYS HFSS 及 VBS 脚本 ..................................................... 50
5.2.3 HFSS-MATLAB-API ................................................................. 50
5.2.4 MatHFSS 与自动化建模 ........................................................... 51
5.3 辅助软件框架概述 ......................................................................... 53
5.4 辅助软件 GUI 设计与实现 ........................................................... 53
5.5 微波滤波器设计实例 ..................................................................... 54
5.6 本章小结 ......................................................................................... 57
6 总结与展望........................................................................................... 59
参考文献 ................................................................................................... 60
绪论
1
绪论
研究背景及意义
微波通信(Microwave Communication),通过将频率在 300MHz 至 3000GHz 内的电磁波
——微波(Microwave)作为载波,从而携带信息进行中继通信
[1]
,兼具传输容量大、效率高、
质量好等特性,相比传统的有线传输网络,微波通信以空气为介质进行信息传递,在布线
难度大、成本高的偏远山区有很大优势。
微波通信目前广泛应用于移动通信、卫星通信、卫星导航(GPS)、蓝牙技术等通信领
域,不同通信领域的工作频段有着严格的区分。微波滤波器的作用是使所需要的信息通过,
对不需要的信息,如噪声等,进行抑制,从而使得有限的频谱资源得到充分的利用
[1]
。由
于微波滤波器的选择特性,在多种工作场所都有需要,为了适应不同的工作环境,滤波器
分为很多种类:其中微带滤波器以体积小,重量轻的优点多用于工作环境窄的情况;腔体
滤波器结构牢固可靠,并且受温度变化影响小,适用于户外等较为宽阔的地带。为了实现
这些滤波器的设计,我们需要用到电磁仿真软件。
电磁仿真软件可以建立与实物完全一致的电磁模型,并模拟现实中的电磁环境,从而
使设计者不需要制作实物,就能判断其性能好坏,从而进一步完成实物设计。但电磁仿真
的缺点在于,耗费的时间成本巨大,越是复杂的滤波器模型,仿真所耗费的时间也会越久,
依靠仿真软件自有的优化工具,再对滤波器进行调整更会浪费大量时间,因此,在滤波器
的设计中,电磁仿真软件只能作为辅助。
对同一滤波器结构,其等效电路模型的仿真时间,相比于电磁模型大大减少,缺点则
是不能完全模拟真实环境,与实物测试的结果会有很大出入,研究者期望找到一种方法,
结合电路仿真的高效性与电磁仿真的精确性,减少时间成本的同时,提高设计效率。空间
映射方法应运而生,该方法将滤波器等效电路模型称为粗糙模型,滤波器各项尺寸参数称
为粗糙模型设计参量;将电磁模型称为精确模型,各项尺寸参数称为精确模型设计参量,
当这两组模型的设计参量之间有且只有唯一一种映射关系时,两组滤波器模型的响应是
一致的。在仿真速度较快的电路模型中,得到满足设计指标的滤波器尺寸参数,再通过逆
映射,得到精确模型中的尺寸参数并进行验证,从而更加高效的完成滤波器的设计。因此,
应用空间映射方法设计滤波器具有重要意义。
空间映射方法借鉴了最优化理论与方法,可以借助 Matlab 等软件辅助算例的更新;
ANSYS HFSS 作为一款三维电磁仿真软件,通过参数化方法建立滤波器电磁模型,并且
可以将建模过程录制并保存为 Python,VBS 脚本,从而避免重复性建模,因此,结合脚
本文件与 Matlab 等辅助软件,将一些机械性、重复、易出错的工作交给计算机,能够解
西安理工大学电子信息硕士专业学位论文
2
放人力,减少失误的出现。
空间映射方法的提出和研究现状
众所周知,现代通信技术对滤波器性能要求越来越高,这导致滤波器的结构复杂程度
越来越高,从而使得滤波器的设计难度也随之提高。为了简化滤波器的设计步骤,提高滤
波器的设计效率,研究者们提出了空间映射方法,该方法通过将电磁仿真软件的精确性与
电路仿真软件的高速性结合起来,在电路模型中优化,通过电磁模型进行验证,使得滤波
器的设计更加简便。
空间映射方法最初是在 1994 年由 Banlder
[2]
提出,他在微带滤波器的设计中提出了两
组模型,两组模型都是基于电磁仿真软件,但一组仿真精度较低,称为粗糙模型,该组模
型仿真速度快,但与滤波器实物的响应之间存在一定的偏差;另一组仿真精度较高,称为
精确模型,该组模型与实际滤波器的响应更加一致,但是进行仿真需要的时间成本较高。
Banlder 通过建立大量的粗糙模型与精确模型进行仿真,并通过最小二乘法计算得到了两
组模型设计参量(微带线尺寸参数)之间的映射关系,在该映射关系条件下,两组模型设计
参量不同时,仿真得到的滤波器响应近似一致。 之后,只需要通过对仿真速度较快的粗
糙模型进行优化,得到满足设计指标的粗模型设计参量之后,就可以通过逆映射方法得到
精确模型的最优设计参量,至此,便可以得到理想的滤波器尺寸。由于在映射关系的求解
过程中,是通过最小二乘法求解线性方程组,因此得到的映射关系为线性关系,该方法也
称为初始空间映射方法。
在初始空间映射方法中,样本数据的获取需要进行大量的电磁模型仿真,这与减少仿
真次数,高效快速设计滤波器的初衷不符,并且初始空间映射默认映射关系为线性关系,
具有局限性,在处理非线性映射问题时会得不到理想的结果。因此,1995 年 Banlder
[3]
提
出了主动空间映射方法,该方法对映射关系的求解过程进行了优化,通过较少的电磁仿真
模型便可以求解得到映射关系,并在此基础上,通过后续的电磁仿真对映射关系进行了迭
代更新,该方法使得映射关系不再只局限于线性关系,拓展了空间映射方法的适用范围,
目前已成为主流的滤波器设计方法。
主动空间映射方法的概念图如图 1-1 所示,首先需要结合滤波器基本理论知识与设计
经验,得到一组初始的设计参量,并以该组设计参量为基准,进行精细模型的仿真,从而
得到初始的精模型响应,假如该响应满足设计指标,则仿真结束;否则就需要通过优化仿
真速度快的粗糙模型的设计参量,使得粗模型与精模型响应一致,该过程也称为参数提取;
在得到两组模型对应的设计参量之后,便可以确立初始的映射关系,并结合这组映射关系
对精模型的设计参量进行更新,并再次判断其响应是否满足设计指标,如果仍有偏差,便
需要重复上述步骤,对映射关系进行更新,并重新优化精模型设计参量,直至得到满足理
想指标的滤波器设计参数。
空间映射方法的提出大都是基于微带滤波器仿真实例,2018 年,Ossorio
[10]
对波导结
绪论
3
构进行了分析,并通过电磁仿真验证了波导滤波器中各项尺寸与其对应的场之间的关系,
从而结合主动空间映射法,仅通过一次优化便使得其结果收敛,得到了满足理想指标的波
导滤波器电磁模型。
粗糙模型
精确模型
初始设计参
量
对应粗糙模
型设计参量
参量
提取
迭代更新
精确模型响
应满足指标
是
否
结束
图 1-1 主动空间映射
Fig.1-1 agreesive space mapping
同样,2021 年,Melgarejo
[19]
也结合空间映射法完成了波导滤波器的设计,不同的是
他是通过逐级仿真的方式,一步步进行设计优化。多级波导滤波器结构较为复杂,通过分
级的方式进行仿真,每次需要考虑并进行优化的参量数目会减少,从而每次仿真所需要的
计算成本与时间成本也会降低,从而进一步提高了应用空间映射设计与优化滤波器方法
的效率。
应用主动空间映射设计滤波器的方法显然是非常理想的,减少了仿真次数,提高了设
计效率,但是,在设计过程中,主动空间映射方法要求精细模型与粗糙模型的设计参量之
间有且只有一组映射关系,只有求解得到该组映射关系后才能进行后续的滤波器设计与
优化;当映射关系无法计算,无法明确用数学表达描述,或者为了减少计算量,不希望求
解具体的映射关系时, Bandler
[6][7]
在 2004 年提出了一种更为新颖的空间映射方法——隐
式空间映射方法,并在隐式空间映射中,提出了有别于粗糙模型与精确模型的第三组模型
——替代模型。
由微波理论基础可知,影响滤波器性能参数的不止是微带线的尺寸、间距等谐振腔的
设计参数,介质基板的厚度、介电常数以及电磁环境等辅助参数也对滤波器的响应有着非
常大的影响,因此,Bandler
[8]
在微带滤波器的设计中,在保持微带线尺寸不变的前提下,
通过优化辅助参数使得粗模型响应与精模型响应匹配,而对辅助参数进行优化之后的粗
糙模型即为替代模型,此时,对替代模型的设计参量(微带线尺寸)进行快速优化,使替代
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