CN108879047A - 一种用于调试微波腔体滤波器的方法、设备及存储设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于调试微波腔体滤波器的方法、设备及存储设备，该方法通过矢量拟合法得到采集到的耗散参数S的多项式系数，再通过多项式系数将耗散参数S还原，得到平滑且没有噪声的S^mea，通过广义切比雪夫综合设计法得到S^obj，计算S^mea与S^obj间的差值函数F，根据螺钉的顺序，对每个螺钉依次进行调试，当F最小时，依次换下一个螺钉，最终输出的耗散参数满足设计指标。一种用于调试微波腔体滤波器的设备及存储设备，用于实现一种用于调试微波腔体滤波器的方法。本发明的有益效果是：可以应用在交叉耦合滤波器的调试中，并且不需要建立模型以及不需要去除相位偏移等影响，使调试的过程简单、快速，缩短了调试时间，提高了调试效率。

Description

一种用于调试微波腔体滤波器的方法、设备及存储设备

技术领域

本发明涉及微波滤波器技术领域，尤其涉及一种用于调试微波腔体滤波器的方法、设备及存储设备。

背景技术

微波滤波器是无线通信系统必不可少的器件。微波滤波器在无线系统中广泛地应用。随着无线通信系统的快速发展，对微波器件的设计提出更加严苛的指标要求。然而，按照严格指标设计出来的微波滤波器，在生产出来之后，由于加工精度和装配误差的影响，滤波器生产出来之后往往达不到设计时的指标。为了补偿生产过程带来的影响，往往需要对滤波器进行后期调试，目前，在国内外公开的以建立的模型为基础的微波滤波器计算机辅助调试方法主要主要包括时域调试法，耦合矩阵提取的等效电路法，数据驱动的方法以及模糊逻辑规则法；时域调试法，需要标准的模板，并且需要工人辅助进行调试；耦合矩阵提取的等效电路法，需要提取耦合矩阵，但是在高阶的时候，耦合矩阵很难提取并且该方法无法给出螺钉的旋转量；数据驱动的方法，需要大量数据和大量的时间来进行训练，并且对不同的滤波器往往需要重新训练模型，效率较低；模糊逻辑规则法，则不能用于对交叉耦合滤波器的调试。总而言之，利用基于模型的方法，模型参数难以精确提取，利用数据驱动的方法，需要重复训练模型，利用基于模糊逻辑的技术无法给出调节量，并且无法应用于交叉耦合滤波器。因此，亟需研究一种新的方法来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于调试微波腔体滤波器的方法、设备及存储设备，一种用于调试微波腔体滤波器的方法，用于调试微波腔体滤波器，所述微波腔体滤波器具有若干调节螺钉，通过调节所述若干调节螺钉，改变所述微波腔体滤波器的耗散参数；所述方法包括以下步骤：

S101：通过矢量网络分析仪，采集所述微波腔体滤波器的耗散参数S；

S102：通过矢量拟合法对所述耗散参数S进行拟合，得到所述耗散参数S的多项式系数，根据多项式系数对所述耗散参数S进行还原，得到测量参数S^mea；

S103：根据所述微波腔体滤波器的设计指标，通过广义切比雪夫综合设计法得到理想的耗散参数S^obj；

S104：计算所述测量参数S^mea与所述理想的耗散参数S^obj之间的差值函数F；

S105：基于专家规则，根据螺钉的旋转方向调试所述若干调节螺钉，使得每调试完一次螺钉时，使所述差值函数F都达到最小值，最终输出的耗散参数满足设计指标。

进一步地，在步骤S101中，所述耗散参数S包括传输参数S₂₁和反射参数S₁₁。

进一步地，在步骤S102中，所述测量参数S^mea包括传输测量参数和反射测量参数得到测量参数S^mea的过程为：(1)得到超定方程Ax＝b，其中，

b＝f(s)，其中，f(s)为拟合公式：

式中，c_n是有理分式的留数，a_n是有理分式的极点，d和h都是实数，s＝jω是多项式的频域变量；x由未知变量c_n，d，h，构成，(2)求解出超定方程，经过矢量拟合提取后，得到测量参数S^mea：a_i及c_i分别是耗散参数S的极点和留数。

进一步地，在步骤S103中，所述理想的耗散参数S^obj包括理想的传输参数和理想的反射参数所述微波腔体滤波器的设计指标包括：阶数N＝12，截止频率ω₁＝0.885GHz，ω₂＝0.96GHz，传输零点的位置Ftz＝[0.878j 0.966j]，回波损耗RL＝20dB；根据所述微波腔体滤波器的设计指标，求出所述耗散参数S的多项式系数E，P，F，再根据得到的多项式E，P，F求出耦合矩阵M，最后根据耦合矩阵M，得到理想的耗散参数S^obj。

进一步地，调试所述若干调节螺钉的过程为：调试当前调节螺钉，当到达差值函数F最小值时，停止调试当前调节螺钉，依次调试下一个调节螺钉，直到所有调节螺钉调试完毕，输出的耗散参数满足设计指标为止。

一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现所述的一种用于调试微波腔体滤波器的方法。

一种用于调试微波腔体滤波器的设备，包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现所述的一种用于调试微波腔体滤波器的方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：可以应用在交叉耦合滤波器的调试中，并且不需要建立模型以及不需要去除相位偏移等影响，使调试的过程简单、快速，缩短了调试时间，提高了调试效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种用于调试微波腔体滤波器的方法的流程图；

图2是本发明实施例中建立的差值函数F根据螺钉长度变换的趋势变化图；

图3是本发明实施例中利用一种用于调试微波腔体滤波器的方法得到的调试结果示意图；

图4是本发明实施例中硬件设备工作的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种用于调试微波腔体滤波器的方法、设备及存储设备。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种用于调试微波腔体滤波器的方法的流程图，一种用于调试微波腔体滤波器的方法，用于调试微波腔体滤波器，所述微波腔体滤波器具有若干调节螺钉，通过调节所述若干调节螺钉，改变所述微波腔体滤波器的耗散参数；所述方法包括以下步骤：

S101：通过矢量网络分析仪，采集所述微波腔体滤波器的耗散参数S；所述耗散参数S包括传输参数S₂₁和反射参数S₁₁；

S102：通过矢量拟合法对所述耗散参数S进行拟合，得到所述耗散参数S的多项式系数，根据多项式系数对所述耗散参数S进行还原，得到测量参数S^mea；所述测量参数S^mea包括传输测量参数和反射测量参数在本实施例中，对所述耗散参数S进行拟合的公式为：

式中c_n是有理分式f(s)的留数，a_n是有理分式f(s)的极点，d和h是实数，s＝jω是多项式的频域变量；

有理分式f(s)的分子分母中都含有未知变量，因为求解有理分式f(s)的分子分母中未知变量的问题是一个非线性问题，因此采用矢量拟合算法将非线性问题转化为线性问题进行求解有理分式f(s)的分子分母的系数；给定一组初始极点将公式(1)等式两边分别乘以函数σ(s)得到公式(2)：

此时，σ(s)和σ(s)f(s)的极点相同，当ω→∞时，σ(s)→1，得到公式(3)：

将公式(3)用另一种形式表达，得到公式(4)：

(σf)_fit(s)≈σ_fit(s)f(s) (4)

公式(4)是一个关于未知变量c_n，d，h，的线性方程，选定一组频率采样点代入公式(4)中，得到超定方程(5)：

Ax＝b (5)

其中，b＝f(s)，x由未知变量c_n，d，h，构成，求解x就能得到超定方程(5)的所有未知变量，即得到有理分式f(s)中的未知量；

经过矢量拟合后，用极点和留数表达测量参数S^mea的解析式：a_i及c_i分别是耗散参数S的极点和留数；

将对应的频率点s＝jω代入耗散参数S的解析式，根据公式(6)还原得到测量参数S^mea：

其中，a_i和c_i分别是耗散参数S的极点和留数；矢量拟合之后再对耗散参数进行还原，可以去掉噪声干扰；

S103：根据所述微波腔体滤波器的设计指标，通过广义切比雪夫综合设计法得到理想的耗散参数S^obj；所述理想的耗散参数S^obj包括理想的传输参数和理想的反射参数所述微波腔体滤波器的设计指标包括：所述微波腔体滤波器阶数N＝12，截止频率ω₁＝0.885GHz，ω₂＝0.96GHz，传输零点的位置Ftz＝[0.878j 0.966j]，回波损耗RL＝20dB；根据所述微波腔体滤波器的设计指标，求出所述耗散参数S的多项式系数E，P和F，再根据得到的多项式系数E，P和F求出耦合矩阵M，最后根据耦合矩阵M，得到理想的耗散参数S^obj；得到理想的耗散参数S^obj的具体过程如下：

(1)求解耗散参数S的多项式系数E，P，F

对于任意一个由N个相互耦合的谐振器组成的无耗的二端口滤波器网络，它的传输函数和反射函数可以表示成两个N阶多项式之比，如(7)所示：

式中ω是实频率变量，通过变换s＝jω可以变成复频率变量；对广义切比雪夫(Chebyshev)滤波器来说，利用公式(8)将传输函数S₂₁(ω)的纹波水平在ω＝±1处进行归一化：

式中RL代表回波损耗，对F_N(ω)、P_N(ω)和E_N(ω)的最高次幂归一化后，反射函数S₁₁(ω)和传输函数S₂₁(ω)拥有共同的分母多项式E_N(ω)，多项式P_N(ω)包含传输函数S₂₁(ω)的传输零点；

对于一个无耗网络，根据能量守恒定律有得到公式(9)：

其中C_N(ω)是N阶广义切比雪夫滤波器函数(10):

式中jω_n＝s_n是N阶传输零点在复平面中的位置，当第N个传输零点趋近于无穷大的时，C_N(ω)趋近于纯切比雪夫函数(11)：

在复平面传输零点的个数n_fz必须小于N，其中N为阶数，用相同的函数替换式(11)中的cosh^-1，得到公式(12)：

式中a_n＝x_n 因为把a_n，b_n和x_n代入公式(12)，得到公式(13)：

其中，ω'＝(ω²-1)^1/2；

因为P_N(ω)既是C_N(ω)的分母多项式，又是S₂₁(ω)的分子多项式，因此P_N(ω)可以由传输零点ω_n来确定:为了确定C_N(ω)，需再求出分子多项式F_N(ω)；采用递归循环的方法，求出C_N(ω)的分子多项式F_N(ω)；F_N(ω)可以表示为：

其中，在公式(14)中，

G_N(ω)可以如公式(15)所示，用两个多项式U_N(ω)和V_N(ω)表示：

G_N(ω)＝U_N(ω)+V_N(ω) (15)

其中，U_N(ω)是只以ω为变量的多项式，V_N(ω)是以ω为变量的多项式乘以ω'，即：U_N(ω)＝u₀+u₁ω+u₂ω²+...+u_Nω^N，V_N(ω)＝ω'(v₀+v₁ω+v₂ω²+...+v_Nω^N)；

从第一个传输零点开始，进行循环迭代，假设第一个传输零点为ω₁，则迭代的初始多项式如公式(16)所示：

用第二个传输零点ω₂进行第二次迭代可以得到公式(17)：

展开公式(16)，并把U₂(ω)表示成ω的多项式，V₂(ω)表示成ω'的多项式，得到公式(18)：

ω'V_N(ω)＝(ω²-1)(v₀+v₁ω+v₂ω²+...+v_Nω^N) (18)

因此得到公式(19)和公式(20)：

根据得到的U₂(ω)和V₂(ω)，用第三个、第四个传输零点去迭代，直到第N个传输零点，得到G_N(ω)的递推式(21)：

其中，

F_N(ω)＝G_N(ω)+G'_N(ω)＝U_N(ω)

再根据无耗条件可以得到公式(22)：

其中，P＝P_N(ω)，F＝F_N(ω)，E＝E_N(ω)；由此得到多项式F，E，P；

(2)根据多项式系数F，E，P，求解M

当等效电路电路网络中的电阻RN＝1Ω时，所述微波腔体滤波器的输入阻抗为：

同样，等效电路电路网络中的电阻R1＝1Ω时，所述微波腔体滤波器的输入阻抗为：

当微波腔体滤波器阶数N为偶数时，分子中提取n₁，得到公式(25)：

由固定关系得到公式(26)：

y₂₂＝n₁/m₁ (26)

由于导纳参数y₁₁和y₂₁具有相同的分母以及相同的传输零点，所以y₂₁可以表示为：

y₂₁＝P(s)/εm₁ (27)

当微波腔体滤波器阶数N为奇数时，分子中提取m₁，得到：

y₂₂＝m₁/n₁ (28)

y₂₁＝P(s)/εn₁ (29)

式中的m₁和n₁可以由多项式函数(30)计算得出：

m₁+n₁＝numerator of Z₁₁(s)＝E(s)+F(s) (30)

根据上述式子，得到的m₁和n₁分别为：

其中，e_i，f_i分别是多项式E(s)和F(s)的复系数；

根据得到的m₁和n₁，结合公式(27)、(28)、(29)得到导纳参数y₁₁和y₂₁的极点和T值，然后根据公式(32)、公式(33)和公式(34)，得到公式(35)和公式(36)：

式中S＝jω，I是电流向量；由于M是一个实对称矩阵，即M_ij＝M_ji，所有的特征值是实数，所以一定能够找到一个正交矩阵T使其对角化，使M满足公式(37)：

-M＝T∧T^t (37)

式中Λ＝diag[λ₁,λ₂,λ₃,...λ_n]，是以λ_i为元素的对角矩阵，T是对称正交矩阵，且有T·T_t＝I；

(3)根据耦合矩阵M求解S

微波腔体滤波器的设计中，耦合谐振电路起着至关重要的作用。不相邻的两个谐振腔之间的耦合可以使微波腔体滤波器在阻带有限频率处产生传输零点，使其具有更好的带外抑制特性。广义Chebyshev滤波器就是通过在非相邻谐振腔之间引入耦合来实现交叉耦合的。根据交叉耦合的微波腔体滤波器的谐振电路模型，得到其函数多项式与实际交叉耦合谐振电路模型之间的联系，综合出耦合矩阵。

根据Kirchoff电压定律，可以得到电路的环路电流方程，写成矩阵形式为：

在窄带微波腔体滤波器近似条件下，相对带宽将上面各式进行归一化可以得到：

式中，ω'为归一化角频率，为各谐振器的谐振频率，ω₀为中心角频率；

最终得到归一化的电路矩阵方程：

[ω'U-jR+M][i]＝[A][i]＝-j[e] (42)

式中，[U]是一个单位矩阵，[R]矩阵中，除R₁₁＝r₁，R_NN＝r_n外，其他矩阵元素都为零，[M]是耦合矩阵，它是以m_ij为矩阵元素的N×N的对称方阵，[e]为电压激励向量，[i]为电路向量；提取的参数M和R分别对应于实际电路中的耦合系数和输入输出端的外部Q值；电流向量[i]又可以表示成：

[i]＝-j[A^-1][e] (43)

于是得到整个交叉耦合谐振电路模型的理想的耗散参数S^obj：

S104：计算所述测量参数S^mea与所述理想的耗散参数S^obj之间的差值函数F：

式中，a，b表示不同的权重因子，且a＞b，和分别表示传输测量参数和反射测量参数，和分别表示理想的传输参数和理想的反射参数，m和n均表示频率点个数；

S105：基于专家规则，根据螺钉的旋转方向调试所述若干调节螺钉，使得每调试完一次螺钉时，使所述差值函数F都达到最小值，最终输出的耗散参数满足设计指标；本发明实施例通过调试所述若干调节螺钉来改变微波腔体滤波器的耗散参数，从而调试微波腔体滤波器；调试所述若干调节螺钉的过程为：调试当前调节螺钉，当到达差值函数F最小值时，停止调试当前调节螺钉，依次调试下一个调节螺钉，根据螺钉的顺序，从第一个调节螺钉按顺序调试到最后一个调节螺钉，直到所有调节螺钉调试完毕，输出的耗散参数满足设计指标。请参考图2，图2是本发明实施例中建立的差值函数F根据螺钉长度变换的趋势变化图，所述螺钉长度即为螺杆长度；从图2中可以看出，螺钉在不同位置时对应的差值函数F不同。在初始调试的时候，给定旋转螺钉的初始方向P，P的反方向是N，给定初始的旋转角度θ，按照表1所示的专家规则对若干调节螺钉进行调试：

表1专家规则

表1中，ΔF(t-1)表示上一时刻差值函数的变化量，ΔF(t)表示当前时刻差值函数的变化量，Δd(t)表示当前时刻螺杆的变化量，Δd(t+1)表示下一时刻螺杆的变化量；调试若干调节螺钉，差值函数F的值随之变化，螺杆长度也随之变化，这是不断调试微波腔体滤波器的过程；本发明通过调试若干调节螺钉，使差值函数F达到最小值，得到最终的调节螺杆长度，从而实现调试微波腔体滤波器的目的。

在本发明实施例中，微波腔体滤波器的模型指标为：中心频率f₀为0.9217GHz，带宽0.075GHz，带内回波损耗为20dB，传输零点位置0.878GHz和0.966GHz。利用本发明提出的技术方案，采用设计的滤波器辅助调试系统进行指导调试，得到如图3所示的本发明实施例中利用一种用于调试微波腔体滤波器的方法得到的调试结果示意图。因此，本发明提供的技术方案有效，并且迅速，可以有效的指导滤波器的调试。

请参见图4，图4是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种用于调试微波腔体滤波器的设备401、处理器402及存储设备403。

一种用于调试微波腔体滤波器的设备401：所述一种用于调试微波腔体滤波器的设备401实现所述一种用于调试微波腔体滤波器的方法。

处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种用于调试微波腔体滤波器的方法。

存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种用于调试微波腔体滤波器的方法。

本发明的有益效果是：可以应用在交叉耦合滤波器的调试中，并且不需要建立模型以及不需要去除相位偏移等影响，使调试的过程简单、快速，缩短了调试时间，提高了调试效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于调试微波腔体滤波器的方法，所述微波腔体滤波器具有若干调节螺钉，通过调节所述若干调节螺钉可改变所述微波腔体滤波器的耗散参数；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S101：通过矢量网络分析仪，采集所述微波腔体滤波器的耗散参数S；

S102：通过矢量拟合法对所述耗散参数S进行拟合，得到所述耗散参数S的多项式系数，根据多项式系数对所述耗散参数S进行还原，得到测量参数S^mea；

S103：根据所述微波腔体滤波器的设计指标，通过广义切比雪夫综合设计法得到理想的耗散参数S^obj；

S104：计算所述测量参数S^mea与所述理想的耗散参数S^obj之间的差值函数F；

S105：基于专家规则，根据螺钉的旋转方向调试所述若干调节螺钉，使得每调试完一次螺钉时，所述差值函数F都达到最小值，最终输出的耗散参数满足设计指标。

2.如权利要求1所述的一种用于调试微波腔体滤波器的方法，其特征在于：在步骤S101中，所述耗散参数S包括传输参数S₂₁和反射参数S₁₁。

3.如权利要求1所述的一种用于调试微波腔体滤波器的方法，其特征在于：在步骤S102中，所述测量参数S^mea包括传输测量参数和反射测量参数得到测量参数S^mea的过程为：(1)得到超定方程Ax＝b，其中，其中，f(s)为拟合公式：式中，c_n是有理分式的留数，a_n是有理分式的极点，d和h都是实数，s＝jω是多项式的频域变量；x由未知变量c_n，d，h，构成，求解出超定方程，经过矢量拟合提取后，得到测量参数S^mea：a_i及c_i分别是耗散参数S的极点和留数。

4.如权利要求1所述的一种用于调试微波腔体滤波器的方法，其特征在于：在步骤S103中，所述理想的耗散参数S^obj包括理想的传输参数和理想的反射参数所述微波腔体滤波器的设计指标包括：阶数N＝12，截止频率ω₁＝0.885GHz，ω₂＝0.96GHz，传输零点的位置Ftz＝[0.878j 0.966j]，回波损耗RL＝20dB；根据所述微波腔体滤波器的设计指标，求出所述耗散参数S的多项式系数E，P，F，再根据得到的多项式E，P，F求出耦合矩阵M，最后根据耦合矩阵M，得到理想的耗散参数S^obj。

5.如权利要求1所述的一种用于调试微波腔体滤波器的方法，其特征在于：调试所述若干调节螺钉的过程为：调试当前调节螺钉，当到达差值函数F最小值时，停止调试当前调节螺钉，依次调试下一个调节螺钉，直到所有调节螺钉调试完毕，输出的耗散参数满足设计指标。

6.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～5所述的任意一种用于调试微波腔体滤波器的方法。

7.一种用于调试微波腔体滤波器的设备，其特征在于：包括：处理器及权利要求6所述的存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～5所述的任意一种用于调试微波腔体滤波器的方法。