CN104300938B - 均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器 - Google Patents

均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器 Download PDF

Info

Publication number
CN104300938B
CN104300938B CN201410345961.6A CN201410345961A CN104300938B CN 104300938 B CN104300938 B CN 104300938B CN 201410345961 A CN201410345961 A CN 201410345961A CN 104300938 B CN104300938 B CN 104300938B
Authority
CN
China
Prior art keywords
filter
pole
coupling
transfer function
microwave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410345961.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104300938A (zh
Inventor
L·J·罗格拉马德里
M·T·桑丘鲁伊斯代卡斯塔尼达
J·S·加拉茨维乐尚特
P·马丁伊格莱西亚斯
A·P·德尔皮诺华雷斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of CN104300938A publication Critical patent/CN104300938A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104300938B publication Critical patent/CN104300938B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Filters And Equalizers (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Software Systems (AREA)

Abstract

公开了一种均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器。用于均衡由在微波滤波器中的耦合损耗引起的失真的方法包括以下步骤：·设计滤波器的初始传递函数(401)，·计算所述设计的传递函数的极点pi(402)，·利用预先确定的量ai修改所述极点pi的值(403)，以便沿着复平面的实轴产生极点的非对称位移，所述预先确定的量ai根据在构成所述微波滤波器的谐振器之间的耦合的品质因数Qk进行计算，·根据所述初始传递函数和所述修改的极点pi‑ai计算修改后的传递函数(404)。

Description

均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器
技术领域
本发明涉及基于耦合谐振器的使用的微波滤波器的领域，并且更具体地涉及一种用于均衡在微波滤波器中的耦合损耗引起的失真的方法及利用这样的方法生产的滤波器。
具体而言，本发明应用于在用于卫星通信的IMUX(输入多工器)信道滤波器中或者在需要具有带通传输功能的精确均衡的滤波器的任何RF通信系统中使用的滤波器。
背景技术
耦合谐振器微波带通滤波器的插入损耗平坦度受不希望得到的斜度所影响。该不希望得到的斜度是由于在邻近谐振器之间的耦合处发生的耗散损耗的存在而导致的。其可能导致不符合定向的滤波器技术指标，尤其在低频处。
因此，需要一种用于均衡由于这种现象导致的失真的方法，以最小化在它们的通频带中的滤波器的斜度。
根据现有技术已知，具体在参考文献[1]、[2]和[3]中，意图补偿由于在滤波器腔体中的耗散而在滤波器通频带的两个边缘产生的圆滑的预失真滤波器传递函数的方法。
然而，这些技术仅考虑了谐振器的无载品质因数，换言之，仅考虑了隔离的谐振器的品质因数，而没有考虑纯电抗元件的有限品质因数的影响，即，由于在这些元件中的损耗而在邻近谐振器之间产生的电感耦合或者电容耦合。
从参考文献[5]还可知，利用在谐振器之间的耦合的品质因数来计算谐振器滤波器的归一化阻抗。然而，参考文献[5]没有教示耦合的品质因数可以用于预失真滤波器的传递函数来均衡和校正滤波器的插入损耗变化。
因此，需要一种用于均衡在滤波器传递函数中的插入损耗变化并且补偿在用于实现滤波器的邻近谐振器之间的耦合损耗的影响的方法。
发明内容
本发明的目标为提供一种用于均衡在滤波器传递函数中的插入损耗变化的确定性方法。修改滤波器电参数以均衡由于耗散耦合引起的插入损耗的斜度，同时保持选择性和群延迟特性。
根据本发明的一个方面，提出了一种用于均衡由在微波滤波器中的耦合损耗引起的失真的方法，包括以下步骤：
·设计滤波器的初始传递函数，
·计算所述设计的传递函数的极点pi，
·利用预先确定的量ai修改所述极点pi的值，以便沿着复平面的实轴产生极点的非对称位移，所述预先确定的量ai根据在构成所述微波滤波器的谐振器之间的耦合的品质因数Qk进行计算，
·根据所述初始传递函数和所述修改的极点pi-ai计算修改后的传递函数。
根据本发明的一个方面，所述预先确定的量ai分别随着各自的极点pi的虚部增加或者减小而增加或者减小。
根据本发明的另一个方面，计算所述预先确定的量ai，以便将修改后的极点pi-ai从虚轴移开。
根据本发发明的另一个方面，所述预定确定的量ai等于ai＝C(1-i)/Qk，其中i为沿着复平面的虚轴的极点pi的指数，并且C为常数。
根据本发明的另一个方面，以在所述微波滤波器的谐振器之间的耦合处的最大存储能量与每单位时间的能量损耗之间的比率计算所述耦合的品质因数Qk。
根据本发明的另一个方面，所述微波滤波器为用于卫星通信的IMUX信道滤波器。
根据本发明的另一个方面，提出了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行指令，以用于在处理器上执行所述计算机程序时执行根据本发明的用于均衡由在微波滤波器中的耦合损耗引进的失真的方法，并且提出了一种通过执行所述方法获得的微波滤波器。
附图说明
通过学习以非限定示例的方式描述的并且由所附附图显示的一些实施方案将更好地理解本发明，其中：
图1在幅度/频率图表上显示与期望插入损耗技术指标相比较的根据常规方法设计传递函数的滤波器的插入损耗，
图2A和图2B在两幅图表上显示在谐振器之间理想耦合的情况下和在谐振器之间有损耗耦合的情况下滤波器的传递函数极点，
图3A和图3B在与图2A和图2B相同的图表上显示根据本发明的均衡的方法对所产生的经均衡的滤波器的传递函数的影响，
图4显示根据本发明的均衡的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
下面的附图更加具体地说明本发明的作用。
本发明适用于通过使用标准综合技术获得传递函数的任何带通滤波器。基于使用归一化的切比雪夫滤波器响应的滤波器综合技术的示例在参考文献[4]中给出。
滤波器综合过程的第一步骤为计算滤波器传递函数。
滤波器传递函数可以被描述为三个紧密相关的有理函数S21(s)、S11(s)和S22(s)的集合：
Figure BDA0000540199710000031
其中，E(s)、P(s)、F1(s)和F2(s)为以复变量s的多项式，复变量s通常以s＝σ+jω的形式，其中σ和ω分别为实部和虚部。
多项式E、F1和F2的阶N为滤波器的阶数，其还等于微波滤波器的腔体的数目。多项式P的阶可以为在0和N之间的任何值。传递函数的“极点”p1、p2、…pn为分母多项式E的根。极点为复数值。
E(s)＝c(s-p1)(s-p2)…(s-pn)
分子多项式P的根被称为“传输零点”，其确定非常重要的滤波器的传输特性，主要为插入损耗变化(ILV)、选择性和群延迟(GD)。在归一化的切比雪夫响应中，多项式F1和F2的根还被称为“反射零点”，其受限于复频率平面的虚轴的位置，以这样的方式使得反射系数S11和S22的最大幅度产生在滤波器有效带宽BW中的(N-1)频率点处，并具有相同的常数值RL。
传输零点的值-P的根-连同N(滤波器阶数)、Fc(滤波器中心频率)、BW(滤波器带宽)以及RL(最小恒定纹波反射损耗)可以由滤波器设计者进行选择，在综合过程的最开始没有任何限制。
通过如在[4]中描述的适当建立的数学程序，传递函数S21、S11和S22是之后获得的，并且最重要的是，滤波器设计者可以通过它们的图形化表示来核实计算的理论响应满足所要求的技术指标。
在每个滤波器腔处大致均匀的耗散损耗的值由无载品质因数Qu表示，其主要取决于滤波器技术和腔体大小，其通常已知的并且在该阶段被考虑进来。
在综合过程中的最终步骤为获得滤波器参数的值，通常以耦合矩阵(即，包括腔体之间耦合系数的值、外部耦合因数以及腔体谐振频率的矩阵)的形式。该耦合矩阵由有理函数S21、S11和S22直接获得。
图1在幅度/频率图表上显示在仅考虑谐振器损耗Qu的理想耦合101的情况下，以及在滤波器内的腔体之间的耗散耦合Qk的影响被考虑进来的实际情况102下，在滤波器带宽中的插入损耗变化。还显示了期望技术指标103，其示出不希望得到的插入损耗102的斜度可能导致与滤波器技术指标103相背离，尤其在低频。
耦合损耗的影响在利用均衡的群延迟和介质谐振器技术的滤波器中是非常明显的。
图2A和图2B再次显示了由于耗散耦合而产生的相同影响，但这次是对于滤波器传递函数的极点的影响。为了说明性的目的，给出了十极点信道滤波器响应的特殊示例。
图表201显示分别对于具有理想耦合210的滤波器和具有耗散耦合211的滤波器在复平面中的极点的复数值。在图2A和图2B的示例中，理论期望响应210相对于传递函数极点对称，然而实际响应211示出由于有损耗的耦合而产生的极点的非对称位移。非对称位位移是由于在图1中示出的相对于滤波器中心频率也是非对称的插入损耗响应的失真的原因。在图2A和图2B中示出的极点的非对称位移与在图1中示出的插入损耗的非对称变形之间存在着密切的关系。在图2A和图2B的图表202中示出了与理想滤波器响应相比每个极点的位移值的说明性表示。可以看出，随着频率降低或者相当于随着极点的虚部减小，位移值增加。
为了补偿在图1和图2A和图2B中显示的插入损耗失真，本发明提出了一种目的在于通过补偿滤波器传递函数极点位移来补偿插入损耗失真的均衡的确定性方法。
合成的滤波器传递函数的每个极点必须被移动至配置为补偿它们的非对称位置的量。
在图3A和图3B中显示了该原理，图3A和图3B在与图2A和图2B相同的图表上示出了经均衡的传递函数极点310(在图表301中)并且相应的位移被操作(在图表302中)至最初的极点，以获得与理想传递函数尽可能接近的传递函数，以及在滤波器传递函数中再引入对称性。
现在根据在图4中描绘的流程图具体描述根据本发明的均衡的方法的步骤。
在第一步骤401中，根据要求的技术指标来设计期望的滤波器的传递函数。例如，可以通过之前参照参考文献[4]描述的技术来实现滤波器传递函数的设计，并且产生有理函数S21(s)、S11(s)和S22(s)的设计。
在第二步骤402中，计算滤波器传递函数的极点pi。
在第三步骤403中，利用预先确定的量来修改滤波器的极点pi的值，以便以非对称的方式沿着在复平面中的实轴操作极点的位移。
在本发明的特定实施方案中，操作极点的非对称位移使得被增加到每个极点的实部的预先确定的量随着极点的虚部的增加或减小而增加或者减小。因此，极点或者从虚轴移开或者更靠近虚轴移动。
将极点从虚轴移开的优点在于系统变得更加稳定。
在本发明的另一个特定实施方案中，操作极点的位移使得具有最大虚部的极点被比具有最小虚部的极点更大的位移进行修改。最小的虚部对应于最低频率，而最大的虚部对应于最高频率，换言之，操作极点的位移使得对应于最高频率的极点被比对应于最低频率的极点更大的位移进行修改。
在本发明的所有实施方案中，用于位移极点的预先确定的量取决于在滤波器的谐振器之间的耦合的品质因数Qk。该品质因数不同于无载品质因数Qu，无载品质因数Qu仅取决于滤波器技术和腔体大小。此外，无载品质因数Qu与谐振器的损耗相关，而耦合的品质因数Qk与用于耦合的电抗的非谐振元件的损耗相关。
在特定实施方案中，利用量ai＝f(Qk)＝C(1-i)/Qk来位移极点pi，其中i为在0和N-1之间所取的整数，N为极点的数目并且C为比例常数。
可以通过材料估计、仿真、测量或者任何其他等效方式获得耦合品质因数Qk。
滤波器的品质因数可以被定义为对于每单位时间损失的能量存储的比率。由于在耦合中能量耗散通常较小，电感耦合或者电容耦合的品质因数Qk通常可以忽略，并且仅考虑谐振器的无载品质因数Qu(隔离的谐振器的品质因数)。因此，电抗元件(比如耦合)的品质因数Qk可以以在耦合处最大存储能量和每单位时间能量损耗之间的比率进行表述。
Figure BDA0000540199710000061
其中ω是存储的能量和能量损耗被测量处的角频率。具体而言，以与谐振器的品质因数Qu相似的方式确定耦合的品质因数Qk，即，根据基于用于耦合的元件的材料和几何形状进行的滤波器测量或者近似。
执行一次在步骤403中操作的极点的位移，并且不需要任何迭代。
最终，在最后的步骤404中，保持与在第一步骤401设计的初始传递函数相同的传输零点的值，但是使用在步骤403获得的修改后的极点来计算修改后的传递函数。
再次使用在参考文献[4]中描述的技术，利用下面的公式可以计算修改后的传递函数：
Figure BDA0000540199710000071
其中P(s)是与用于初始传递函数H(s)和E”(s)相同的多项式，该多项式的极点是修改后的极点。
E″(s)＝c[s-(p1-a1)][s-(p2-a2)]…[s-(pn-an)]
然后，多项式S21”、S11”和S22”可以根据H”(s)进行计算，并且将与从H(s)获得的最初的S21、S11和S22有所不同。
最后，滤波器耦合矩阵还可以以与用于最初的传递函数的相同方式进行计算。
本发明的优点是保持了最初的滤波器所展示的群延迟和选择性响应。该特征始终是很重要的，尤其在群延迟和选择性要求通常非常严格的输入多工器信道滤波器的情况下。
应当理解，根据本发明的方法可以以完全硬件的实施方案、完全软件的实施方案或者既包含硬件元件也包含软件元件的实施方案的形式实施。在优选实施方案中，根据本发明的方法是在软件中实施的。
此外，根据本发明的方法可以采取可从计算机可用或者计算机可读的媒质访问的计算机程序产品的形式，该计算机可用或者计算机可读的媒质提供由计算机或者任何指令执行系统使用或者与其相关的程序编码。出于此说明书的目的，计算机可用或者计算机可读的媒质可以是能够包含、存储、通信、传播或者传输供指令执行系统、装置或者设备使用或者与其相关的程序的任何装置。
参考文献：
[1]Fubini，"最低插入损耗滤波器(Minimum Insertion Loss Filters)"，Proceedings of the IRE，1959年1月。
[2]Ming Yu"用于交叉耦合滤波器的预失真技术及其对于卫星通信系统的应用(Predistortion Technique for Cross-Coupled Filters and Its Application toSatellite Communication Systems)"IEEE微波理论和技术处理(IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES)，第51卷，第12期，2003年12月。
[3]US 6882251B2。
[4]R.J.Cameron，C.M.Kudsia，和R.R.Mansour，“用于通信系统的微波滤波器:原理、设计及应用(Microwave filters for communication systems:fundamentals,design,and applications)”Wiley-Interscience，2007。
[5]Deslandes D等人，“用于建模具有有限品质因数和电阻耦合的带通滤波器的常规构想(General Formulation for modeling bandpass filters with finitequality factors and resistive couplings)”，微波讨论(microwave conference)，2008.EUMC2008.38th欧洲，IEEE，皮斯卡塔韦，NJ，USA，2008年10月27日。

Claims (6)

1.一种用于均衡由在微波带通滤波器中邻近的谐振器之间的耦合损耗引起的失真的方法，所述微波带通滤波器包括耦合的谐振器，所述方法包括以下步骤：
·设计滤波器的初始传递函数(401)，
·计算所述设计的传递函数的极点pi(402)，
利用预先确定的量ai修改所述极点pi的值(403)，以便沿着复平面的实轴产生极点的非对称位移，所述预先确定的量ai根据微波滤波器的邻近谐振器之间的耦合的品质因数Qk进行计算，以补偿微波滤波器的邻近谐振器之间的耦合损耗的影响，所述预先确定的量ai等于ai＝C(1-i)/Qk，其中i为沿着复平面的虚轴的极点pi的指数，C为常数，Qk为在微波滤波器的谐振器之间的耦合的品质因数，以在所述微波滤波器的谐振器之间的耦合处的最大存储能量与每单位时间的能量损耗之间的比率计算Qk，
·根据所述初始传递函数和所述修改的极点pi-ai计算修改后的传递函数(404)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预先确定的量ai分别随着各自的极点pi的虚部增加或者减小而增加或者减小。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中计算所述预先确定的量ai，以便将修改后的极点pi-ai从虚轴移开。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述微波滤波器为用于卫星通信的IMUX信道滤波器。
5.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行指令，以用于在处理器上执行所述计算机程序时执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法。
6.一种通过执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法产生的微波带通滤波器。
CN201410345961.6A 2013-07-19 2014-07-18 均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器 Active CN104300938B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13290170.3A EP2827439B1 (en) 2013-07-19 2013-07-19 A method for equalizing the distortion caused by losses in couplings in a microwave filter and a filter produced with said method
EP13290170.3 2013-07-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104300938A CN104300938A (zh) 2015-01-21
CN104300938B true CN104300938B (zh) 2020-04-17

Family

ID=49626881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410345961.6A Active CN104300938B (zh) 2013-07-19 2014-07-18 均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10248741B2 (zh)
EP (1) EP2827439B1 (zh)
JP (1) JP6580309B2 (zh)
CN (1) CN104300938B (zh)
CA (1) CA2856997C (zh)
ES (1) ES2883523T3 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114649657B (zh) * 2022-04-21 2024-01-23 南京道旭通信有限公司 基于te102和te103模的双通带多传输零点波导滤波器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3969692A (en) * 1975-09-24 1976-07-13 Communications Satellite Corporation (Comsat) Generalized waveguide bandpass filters
CA2350352A1 (en) * 2001-06-13 2002-12-13 Linda P.B. Katehi Planar filters utilizing periodic elctro magnetic bandgap substrates
US6882251B2 (en) 2002-12-09 2005-04-19 Com Dev Ltd. Microwave filter with adaptive predistortion
JP3860559B2 (ja) * 2003-05-20 2006-12-20 株式会社東芝 帯域通過フィルタ

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
General Formulation for Modeling Bandpass Filters with Finite Quality Factors and Resistive Couplings;Dominic Deslandes etc.;《Proceedings of the 38th European Microwave Conference》;20081031;1042-1045 *
Predistortion Technique for Cross-Coupled Filters and Its Application to Satellite Communication Systems;Ming Yu etc.;《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》;20031231;第51卷(第12期);2505-2515 *
The Design of Parallel Connected Filter Networks With Nonuniform Q Resonators;MengMeng etc.;《 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》;20120131;第61卷(第1期);第372-375页，图8 *

Also Published As

Publication number Publication date
US10248741B2 (en) 2019-04-02
CA2856997C (en) 2022-08-30
JP6580309B2 (ja) 2019-09-25
EP2827439B1 (en) 2020-12-02
CN104300938A (zh) 2015-01-21
EP2827439A1 (en) 2015-01-21
ES2883523T3 (es) 2021-12-07
JP2015029265A (ja) 2015-02-12
CA2856997A1 (en) 2015-01-19
US20150025862A1 (en) 2015-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104718549B (zh) 微波滤波器中的元件去除设计
CN106712738B (zh) 根据频率响应要求设计声微波滤波器的方法
CN113544687B (zh) 快速及高精度的全有限元表面声波仿真
CN107294511B (zh) 一种低复杂度的可变分数时延滤波方法及滤波器
CN105024131A (zh) 一种微波腔体带通滤波器的设计方法
CN106848505A (zh) 基于混合耦合的微带滤波器设计方法
WO2022184180A1 (zh) 零吸引惩罚与吸引补偿组合的稀疏lms方法
US8421554B2 (en) Filtering device for filtering RF signals and method for filtering RF signals
CN104300938B (zh) 均衡由耦合损耗引起的失真的方法及利用其生产的滤波器
CN104900969A (zh) 功分器设计方法
CN107565929A (zh) 滤波器广义综合方法
CN106650054A (zh) 基于分布参数‑集总参数等效的传输线滤波器设计方法
Tan et al. Application of Belevitch theorem for pole-zero analysis of microwave filters with transmission lines and lumped elements
CN115270680A (zh) 一种模拟多通带滤波器设计方法
WO2018076519A1 (zh) 一种双频带非均匀传输线阻抗变换器的设计方法及电路
Meng Design and synthesis of lossy microwave filters
Bouhafs et al. Computer-Aided Extraction of Coupled Resonator Filter Using Hybrid ASM and Optimization Methods.
Pons-Abenza et al. Frequency correction design technique for additive manufactured cavity filters
Bouhafs et al. Microwave Filter Optimization Combining Aggressive Space Mapping And Cauchy Methods
Zhang et al. Dimensional synthesis method for wide-band waveguide iris filters
Momen et al. A method for low-pass filter designing by commensurate transmission lines
Li Analytical Coupling Matrix Synthesis for Lossy Filters with Arbitrary Transmission Zeros
Massy et al. Dispersion characteristic and stability analysis for an arbitrary MRTD scheme with variable mesh
Şengül Broadband impedance matching via lossless unsymmetrical lattice networks
Şengül Broadband single matching with lumped elements

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant