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参数提取法设计带通滤波器详细教程

? 2018年05月24日 09:04 ? 次阅读

美高梅官网,金沙网投领导者,金沙网投网站,金沙网投开户 www.tongshi-cn.com 有人说微波技术是匹配的艺术,而滤波器又是匹配电路的典型结构,它的理论在微波电路中有重要作用。前辈们花了大量的时间来研究如何准确设计一个滤波器,从拓扑结构的数学综合到结构件的LC等效等产生了很多实用的方法和工具。

大部分的匹配结构都具有带通特性,因此掌握高效带通滤波器的设计方法对微波电路的设计有很大的帮助。我了解到的带通滤波器设计方法有:

· 外部Q值+耦合系数提取+经验调谐优化

· 逐级回波群时延提取耦合系数和谐振频率法

· 逐级回波相位提取耦合系数和谐振频率法

· 参数提取法(通过测试或仿真出的S参数,用特定的拓扑结构提取出对应的耦合矩阵,然后和理想耦合矩阵对比从而设计出理想的滤波器)

· 回波时域响应法

这些方法的核心都是为了简单高效的找出谐振频率和耦合系数,从而准确的实现理论拓扑到实际结构的转换。详细的理论介绍可以参考《通信系统微波滤波器-基础·设计及应用》,王松林译。这篇文章主要介绍参数提取法。逐级回波群时延提取法可参考之前的文章《如何设计一个带通滤波器》。

写这篇文章时我采用了混合方法(回波时延法+参数提取法),逻辑可能会产生跳跃,但仔细理解,我认为会比较好的了解参数提取方法及我的用心。

1、参数提取法简介

参数提取法的核心是任何一个S参数曲线均可以通过一个多项式进行拟合,而多项式又可以通过耦合矩阵表达,这样如果已知仿真或测试所得的S参数曲线,便可以通过线性回归的方法解算出对应的耦合矩阵。这样就提取出了实际滤波器的耦合及谐振频率参数,因此称为参数提取法。知道了实际产品的耦合系数和谐振频率,通过和理想的耦合矩阵进行比对我们就可以将滤波器设计或调谐至理想状态。

参数提取法的详细理论可以参考《通信系统微波滤波器-基础。设计及应用》及该书引用的论文。该方法核心是曲线拟合,所有曲线拟合的方法均可以用来解决此问题(牛顿法,神经网络法,梯度法……),同所有曲线拟合存在问题类似,该方法存在假收敛等问题。比较好的方法是逐级参数提取,这种方法将在后面详细介绍。(个人经验仅供参考:通过逐级时延法+参数提取是精确仿真滤波器的很好方法,这也是为什么本文采用了混合方法的原因)

2、参数提取在滤波器设计中的应用

这里通过一个9阶18900MHz~24100MHz(中心频率:21500MHz;带宽:5200MHz)的交趾滤波器来说明如何应用参数提取法。

该滤波器理想的9阶切比雪夫耦合矩阵及群时延数据见图1

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图1、理想的耦合系数及群时延数据

· 本征谐振频率的确定

这里不做过多展开,仿真结果见图2

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图2、谐振柱本征模式仿真

· 输入耦合确定

输入耦合采用群时延法是比较简便的,这里不做更多展开,直接通过仿真确定参数,通过查图2的结果可以知道输入抽头高度tapin=2.8mm,h1=3.5mm时接近理想输入耦合所需群时延0.1ns。

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图3、输入耦合的确定

· 12耦合系数及谐振频率确定

个人经验是两个谐振器用群时延法找耦合系数是最实用的方法,但这里采用参数提取法来说明参数提取方法的的实现过程。保持输入耦合确定的参数不变,令第二个谐振器高度为本征模式仿真确定的谐振器高度,h2=2.6mm.仿真获取S11参数,如图4所示。

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图4、HFSS中获取两个谐振器耦合的S11数据

获得S11数据后,在ADS中建立如图5所示的参数提取模型,模型的核心是使S11严格等于S33,通过ADS优化功能计算得到的参数提取结果和实际数据对比结果见图6所示。

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图5、ADS中参数提取模型

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图6、参数提取的拟合曲线和实际曲线对比

通过图6的结果对比可以看出拟合曲线及实际曲线差异非常小,说明提取参数的准确性。图6最后两个表格是通过相位提取法获得的谐振器1和2的谐振频率及耦合系数,通过对比可以发现模拟数据和实际数据吻合的非常好,从侧面印证参数提取的准确性。通过参数提取得到实际模型的耦合矩阵见表1所示。

表1、提取参数和理想参数对比

F1(MHz)F2(MHz)R1M12

理想数据21500215001.080.9

实际数据21950222001.21.03

通过参数对比对结构尺寸进行调整,进过几次迭代便可以准确找出所需的理想数据,这里不进行详细叙述了。

(个人经验中参数提取最核心的内容就是在ADS中用理想的耦合矩阵提取模型同实际数据进行对比,利用ADS的优化控件实现参数的提取,避免个人编写复杂的数学代码。)

· 3个谐振器耦合系数及谐振频率确定

获得理想的2个谐振器的参数后,建立3个谐振器模型,重复上面的步骤获取3个谐振器的理想结构参数,这里不进行过多叙述,请自行感受。通过上述步骤重复,可以获取3D模型电磁仿真的初始的结构参数见表2或附件的仿真模型

表2、初始3D仿真模型核心尺寸

TapinLs12Ls23Ls34Ls45H1H2H3H4H5

尺寸2.82.52.93.13.13.52.62.62.62.6

· 参数提取在滤波器整体仿真中的应用

根据表2获取的初始模型尺寸,建立整体模型仿真,获取初始模型的S参数数据用于参数提取。模型及ADS中参数提取的原理图见图7所示,通过ADS中的调谐操作让模型曲线和实际曲线大致接近(曲线拟合的初值很重要),然后通过优化控件对模型进行优化提取耦合系数。

参数提取法设计带通滤波器详细教程

参数提取法设计带通滤波器详细教程

图7、整体仿真模型及参数提取原理图

通过优化,获得的参数提取曲线和实际曲线对比见图8,通过对比可以发现参数提取曲线和实际曲线吻合度非常高。提取参数和理想参数对比见表3。

表3、提取参数和理想参数对比

nR1m12m23m34m45m11m22m33m44m55

理想数据1.080.90.610.560.5500000

实际数据1.111.150.840.730.74-0.48-0.05-0.27-0.32-0.33

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图8、参数提取曲线和实际曲线对比

通过提取的参数和理想参数进行对比,可以判断出各关键尺寸的调谐方向,经过几次迭代后就可以准确设计出滤波器了。通过表3提取的数据可以判断谐振器1/3/4/5谐振频率偏低,m12/m23/m34/m45耦合偏大,根据经验对这些尺寸进行微调进行第二次仿真,仿真结果及参数提取结果见图9所示。

参数提取法设计带通滤波器详细教程

nR1m12m23m34m45m11m22m33m44m55

理想数据1.080.90.610.560.5500000

第一次拟合1.111.150.840.730.74-0.48-0.05-0.27-0.32-0.33

第二次拟合1.121.130.780.680.68-0.06-0.06-0.1100

图9、第二次参数提取结果及数据对比

通过第二次拟合发现结果更加接近理想值了,就这样通过多次的迭代就可以设计出完美的滤波器了。

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纹波是电源的核心指标,但如何准确测量纹波确实一个被广泛忽略的问题。

发表于 2018-03-29 08:34 ? 1757次阅读
如何准确测量电源的核心指标纹波

全面解析阻容降压电路_分析其原理

阻容降压是一种利用电容在一定频率的交流信号下产生的容抗来限制最大工作电流的电路。电容器实际上起到一个...

发表于 2018-03-29 03:37 ? 408次阅读
全面解析阻容降压电路_分析其原理

如何利用二级输出滤波器防止开关电源噪声

第二种技术的优势是滤波器性能最大化。如果需要采用全陶瓷设计,则RD可以是与陶瓷电容串联的分立式电阻。...

发表于 2018-03-28 16:42 ? 324次阅读
如何利用二级输出滤波器防止开关电源噪声

带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理...

本文主要介绍了带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理图详解)。带通滤波器是一种仅允许特定频...

发表于 2018-03-26 11:53 ? 2325次阅读
带通滤波器电路图大全(三款带通滤波器电路设计原理...

最简单的滤波电路图大全(八款最简单的滤波电路设计...

本文主要最简单的滤波电路图大全(八款最简单的滤波电路设计原理图详解),整流电路的输出电压不是纯粹的直...

发表于 2018-03-26 11:04 ? 3108次阅读
最简单的滤波电路图大全(八款最简单的滤波电路设计...

接收和发射数据的智能应答器,分析汽车无线安全应用...

消费者对安防与安全的需求推动着汽车电子市场的迅速扩张。与此同时,汽车制造商面临着必须实现具有成本效益...

发表于 2018-03-25 05:34 ? 754次阅读
接收和发射数据的智能应答器,分析汽车无线安全应用...

怎么用频谱仪测量微弱信号

频谱仪用来检测微弱信号,为您详细讲解。

发表于 2018-03-23 10:46 ? 698次阅读
怎么用频谱仪测量微弱信号

一文看懂π型滤波电路原理

本文开始对π型滤波器的概念进行了介绍,其次介绍了π型滤波电路原理图和基本π型滤波滤波电路,最后介绍了...

发表于 2018-03-23 08:46 ? 4158次阅读
一文看懂π型滤波电路原理

AV1可能会成为未来构建我们的虚拟视频的一个主要...

过滤在每个视频编解码器中都是一个重要的过程,因为它极大地提高了编码视频的感知质量。它主要发生在每个块...

发表于 2018-03-21 17:32 ? 813次阅读
AV1可能会成为未来构建我们的虚拟视频的一个主要...

矢量网络分析仪E5063A是如何测试一个射频微波...

在校准前请观察E-Cal的LED指示灯是否已经变为绿色,绿色代表ECal已经准备完毕可以开始校准(如...

发表于 2018-03-19 15:13 ? 812次阅读
矢量网络分析仪E5063A是如何测试一个射频微波...

简化模拟抗混叠滤波器及其他功能电路的设计

ADI 混合信号的高级设计工程师——Andrew Thomas对此谈到一款新型LTC2358 8通道...

发表于 2018-03-19 14:45 ? 776次阅读
简化模拟抗混叠滤波器及其他功能电路的设计

滤波器电路合集(图文详解)

常见低通滤波电路,优点:输出直流电压高,最高能达到矩形波的峰值电压,适用于负载电流较大,要求输出电压...

发表于 2018-03-17 11:26 ? 1586次阅读
滤波器电路合集(图文详解)

一种基于EBR的数据延时的实现方法

 在第一帧地址内,从0号地址读出的数据为0,再将数据A写入0号地址中,从1号地址读出的数据为0,再将...

发表于 2018-03-14 09:22 ? 637次阅读
一种基于EBR的数据延时的实现方法

低通EMI滤波器中的几点关键设计考虑

EMI骚扰通常难以精确描述,滤波器的设计通常是通过反复迭代,计算制作以求逐步逼近设计要求。本文从EM...

发表于 2018-03-14 08:44 ? 2764次阅读
低通EMI滤波器中的几点关键设计考虑

基于R/C滤波器DAC去干扰电路设计

最简单的 DAC 去干扰方法是在 DAC 放大器输出端 (VOUT) 使用一个 R/C 滤波器(图 ...

发表于 2018-03-13 16:29 ? 183次阅读
基于R/C滤波器DAC去干扰电路设计

FIR与IIR滤波器的区别与特点比较

IIR数字滤波器可以借助成熟的模拟滤波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等,有现成的设计数据...

发表于 2018-03-13 08:34 ? 1565次阅读
FIR与IIR滤波器的区别与特点比较

如何选用干扰抑制滤波器件

任何有引线的电容器的滤波效果都会受到接地电感的限制。如图1所示,通过将电容器外表面直接用螺纹或焊接的...

发表于 2018-03-12 10:43 ? 840次阅读
如何选用干扰抑制滤波器件

液晶电视电路图及解说

本文主要介绍了液晶电视电路图及解说。+3.3Vstb电压经LC滤波器滤波后分别形成的电压有+3.3V...

发表于 2018-03-12 08:42 ? 3753次阅读
液晶电视电路图及解说

引入输入滤波器来滤除噪声,提高传导EMI的性能

一直以来,设计中的电磁干扰(EMI)问题十分令人头疼,尤其是在汽车领域。为了尽可能的减小电磁干扰,设...

发表于 2018-03-12 08:40 ? 2140次阅读
引入输入滤波器来滤除噪声,提高传导EMI的性能

频分复用怎么理解_频分复用概念

传统的频分复用典型的应用莫过于广电HFC网络电视信号的传输了,不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是...

发表于 2018-03-08 08:52 ? 916次阅读
频分复用怎么理解_频分复用概念

单相6A至30A EMC 滤波器提供简单的安装方...

TDK 公司宣布推出额定电压为 250Vac/250Vdc 的 RSEV 系列 6A、10A、16A...

发表于 2018-03-07 14:03 ? 3006次阅读
单相6A至30A EMC 滤波器提供简单的安装方...

为了提高线性度,滤波器用吸收式还是反射式

驱动直接采样高速ADC时,最有可能降低性能的地方是最终放大器与ADC之间的接口。任何直接采样ADC都...

发表于 2018-03-06 11:32 ? 922次阅读
为了提高线性度,滤波器用吸收式还是反射式

输入和输出滤波器有什么区别

输出滤波器安装于变频器的电力输出线与电机之间,不但能有效滤除变频器输出电流中的高次谐波,减小由高频谐...

发表于 2018-03-01 09:11 ? 317次阅读
输入和输出滤波器有什么区别

SAW,BAW Filter与无线通信滤波器趋势

很多通信系统发展到某种程度都会有小型化的趋势。一方面小型化可以让系统更加轻便和有效,另一方面,日益发...

发表于 2018-02-26 17:42 ? 400次阅读
SAW,BAW Filter与无线通信滤波器趋势

传统PWM控制器的控制模型和仿真(反激、正激、半...

对于传统的 PWM 模式控制器,比如 UC384X 系列,能非常好的应用在反激和正激拓扑的控制上。电...

发表于 2018-02-23 11:44 ? 539次阅读
传统PWM控制器的控制模型和仿真(反激、正激、半...

网络滤波器的作用

滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是...

发表于 2018-02-12 16:24 ? 388次阅读
网络滤波器的作用

滤波器一些问题的补充

关于滤波器的技术指标,包含裕度、截止频率、带内波动、带内驻波比、带内相位线性度,巴特沃兹、切比雪夫、...

发表于 2018-02-11 13:36 ? 321次阅读
滤波器一些问题的补充

高衰减低失真音频线噪音滤波器

具有60dB增益的带通有源滤波器电路图

发表于 2018-02-11 11:54 ? 218次阅读
高衰减低失真音频线噪音滤波器

模拟信号路径在便携医疗设备中的技术探讨

速度、噪声和功耗对于某些设计来说可能同样重要,一个低噪声器件会消耗比较多的电流,而一个低功耗的器件则...

发表于 2018-02-10 02:03 ? 592次阅读
模拟信号路径在便携医疗设备中的技术探讨

详细介绍定时器和定时器中断

在测量控制系统中,常常需要实时时钟,以实现定时控制、定时测量或定时中断等。也常需要计数器以实现对外部...

发表于 2018-02-09 14:00 ? 1532次阅读
详细介绍定时器和定时器中断

同轴滤波器详解

同轴滤波器同轴滤波器包括梳状腔体滤器交指腔体滤波器、小体积阶跃带通滤波器和同轴低通滤波器等,该系列滤...

发表于 2018-02-08 19:37 ? 304次阅读
同轴滤波器详解

LC带通滤波器的应用设计

要设计一个滤波器,首先要分析滤波器的技术指标,选择合适的滤波器形式,确定滤波器的级数,分析滤波器的带...

发表于 2018-02-08 19:30 ? 560次阅读
LC带通滤波器的应用设计

详解LPC2000系列ARM微控制器的CAN验收...

 LPC2000 系列ARM微控制器是采用ARM7TDMI-S内核的32位嵌入式微处理器,内嵌2路或...

发表于 2018-02-08 19:24 ? 263次阅读
详解LPC2000系列ARM微控制器的CAN验收...

盘点Matlab通信仿真的常用函数

信源函数 randerr 产生比特误差样本 randint 产生均匀分布的随机整数矩阵 ...

发表于 2018-02-08 09:38 ? 1715次阅读
盘点Matlab通信仿真的常用函数