CN113078435B - 一种x波段矩形波导法波干涉滤波器的q值优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波技术，具体为一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法。本发明通过研究X波段矩形波导法波干涉滤波器Q值与各项参数(L、θ)之间的关系，分别将参数θ和L的变化与Q值联系起来拟合得到相应的公式；然后利用MATLAB根据θ和L单一参数与有效Q值的关系再次进行公式拟合，从而得到Q值与θ和L两者共同的关系曲线以及对应的拟合公式，实现了Q值与θ和L的精确定量，据此在不影响器件原有性能的前提下求得最优Q值，将此时的参数作为优化后的X波段矩形波导法波干涉滤波器参数。本发明最终可通过带入函数的方式来快速计算Q值，且准确性高。

Description

一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法

技术领域

本发明涉及微波技术，具体为一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法。

背景技术

矩形波导作为微波领域使用最普遍的一种传输线，它由截面形状为矩形的金属管构成。波导内没有内导体，因此具有损耗低、功率容量大等特点。而由矩形波导所构成的滤波器作为腔体滤波器之一，在微波通信领域有着广泛的应用。矩形波导单腔的通带较大，所以在腔体数量足够少的情况下，带宽不能够做得很窄，不能满足频率选择性高的特点。而矩形波导法干涉滤波器较传统矩形波导滤波器具有更优性能。

微波谐振电路的品质因数即Q值是反应谐振电路损耗的一个重要量度，在损耗较低的情况下Q值较高。在单独考虑滤波器腔体结构时，通过考查滤波器的Q值可以对其性能优劣进行一个整体的判断。

传统计算Q值方法一般采用常用的微波仿真软件如HFSS、CST等进行运算，但是过于繁琐且精度相对不足。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有X波段矩形波导法波干涉滤波器设计时Q值优化相对繁琐以及精度较低的问题；本发明提供了一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法，通过提供Q值与填充介质长度L和沿其波传输方向的截面夹角θ的定量关系，从而在满足法波干涉滤波器的参数性能前提下进一步设计使Q值最高。

一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、对待优化矩形波导法波干涉滤波器进行参数提取；由于法波干涉滤波器的矩形波导腔体中包含两种不同填充介质，该两种填充介质按入射波方向分段填满于矩形波导腔体当中，填充介质1填充于矩形波导腔体的中间部分，其沿波传输方向的一个截面为夹角θ的四边形，另一个截面为矩形，即波的传播方向与填充介质1两个填充面均成θ的夹角，填充介质1在矩形波导腔体中沿波传播方向的填充长度为L；填充介质2为两部分，分别相适应地填充于填充介质1两侧。

步骤2、以待优化矩形波导法波干涉滤波器的参数夹角θ和长度L为中心做范围变化并代入HFSS仿真软件中进行变量仿真测试；并根据现有的设计常识，在满足该法波干涉滤波器指标符合标准的前提下：确定夹角θ和长度L的取值范围，θ为10～85°；

步骤3、将步骤1和步骤2所得参数在HFSS内进行建模仿真，通过数理统计方法：

利用仿真以步长0.1°～1°得到夹角θ与Q值的关系曲线，采用多项式拟合得出对应的拟合公式，可以看出夹角θ和Q值呈正弦相关关系。

利用仿真得到长度L与Q值的关系曲线，采用多项式拟合得出对应的拟合公式，可以看出L与Q值呈正弦相关关系。

步骤4、同时改变θ和L，通过上述步骤3得到的数据在MATLAB上画出三维散点图，并采用多项式拟合方法得到θ和L两个参数与Q值的拟合曲面与拟合公式。

步骤5、以步骤4所得拟合公式在步骤2确定的θ和L取值范围内求解最优Q值，即通过将步骤2确定的θ和L值带入步骤4最终所得拟合公式，得出具体最优Q值，此时对应的θ和L的值即为优化Q值后的矩形波导法波干涉滤波器的参数。

综上所述，本发明从Q值的角度出发，通过研究X波段矩形波导法波干涉滤波器Q值与其参数(L、θ)之间的关系，分别将参数θ和L的变化与Q值联系起来拟合得到相应的公式；然后利用MATLAB根据θ和L单一参数与有效Q值的关系再次进行公式拟合，从而得到Q值与θ和L两者共同的关系曲线以及对应的拟合公式，实现了Q值与θ和L的精确定量，据此在不影响器件原有性能的前提下求得最优Q值，将此时的参数作为优化后的X波段矩形波导法波干涉滤波器参数。本发明最终可通过带入函数的方式来快速计算Q值，在保证准确性的同时，为设计高Q值X波段矩形波导法干涉滤波器提供了数据基础。并且对器件性能进行快速判断，加快了该类干涉滤波器的设计和测试周期，实现了更优化的设计。

附图说明

图1是本发明矩形波导法波干涉滤波器的立体结构示意图。

图2是实施例的侧视剖面结构示意图。

图3是实施例不同参数θ所对应得S₁₁实验结果图。

图4是实施例不同参数θ所对应得S₂₁实验结果图。

图5是实施例于长度L＝55mm，Q值与长度θ的仿真数据散点图及二维拟合曲线图。

图6是实施例于长度L＝60mm，Q值与长度θ的仿真数据散点图及二维拟合曲线图。

图7是实施例于角度θ＝22°，Q值与长度L的仿真数据散点图及二维拟合曲线图。

图8是实施例于角度θ＝45°，Q值与长度L的仿真数据散点图及二维拟合曲线图。

图9是实施例于角度θ＝60°，Q值与长度L的仿真数据散点图及二维拟合曲线图。

图10是实施例Q值与角度θ和长度L仿真数据散点图及三维拟合曲面图。

图11是本发明的具体实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、对待优化矩形波导法波干涉滤波器进行参数提取；由于法波干涉滤波器的矩形波导腔体中包含两种不同填充介质，该两种填充介质按入射波方向分段填满于矩形波导腔体当中，填充介质1填充于矩形波导腔体的中间部分，其沿波传输方向的一个截面为夹角θ的四边形，另一个截面为矩形，即波的传播方向与填充介质1两个填充面均成θ的夹角，填充介质1在矩形波导腔体中沿波传播方向的填充长度为L；填充介质2为两部分，分别相适应地填充于填充介质1两侧。

本实施例选用的待优化矩形波导法波干涉滤波器其结构如图1和图2所示，提取的各参数如下：a＝22.86mm，b＝10.16mm，I＝114mm；a为波导口宽边长度，b为波导口窄边长度，I为矩形波导总长度；两种填充介质的相对介电常数的大小分别为ε₁＝1.0006、ε₂＝10。

步骤2、以法波干涉滤波器的参数夹角θ和长度L为中心做范围变化并代入HFSS仿真软件中进行变量仿真测试，观察实验结果；并根据现有的设计常识，在满足该法波干涉滤波器指标符合标准的前提下：确定夹角θ和长度L的取值范围，θ为10～85°，内部填充介质1的长度L范围为55～100mm。

从图3、4可以得到在不同参数范围内法波干涉滤波器的性能S₁₁基于优于10dB，S₂₁优于0.5dB，基本满足滤波器性能。

步骤3、将步骤1和步骤2所得参数在HFSS内进行建模仿真，通过数理统计方法：

单独研究θ与滤波器Q值的二维曲线关系，利用仿真以步长0.1°～1°得到夹角θ与Q值的关系曲线。以L＝55mm(可在55～100mm范围任取)为例并保持不变，θ的范围是(10～85°)以10°步长在HFSS上进行仿真，提取仿真数据并在MATLAB上完成拟合曲线(如图5所示)以及采用多项式拟合得出对应的拟合公式：

Q＝8500+1000*sin(0.1*A*(θ-B))

A＝0.08739，B＝21.37

同理获得以L＝60mm(可在55～100mm范围任取)为例并保持不变，θ的范围是(10～85°)以10°步长在HFSS上进行仿真，提取仿真数据并在MATLAB上完成拟合曲线(如图6所示)及对应的拟合公式：

Q＝7700+1150*sin(0.3*A*(θ-B))

A＝0.3584，B＝18.16

从图5、6可以看出Q值与θ呈正弦相关关系，且Q值变动在一定范围左右，可见θ对Q值影响较大。

单独研究填充介质长度L与滤波器Q值的二维曲线关系，利用仿真得到长度L与Q值的关系曲线。以θ＝22°(10°～85°任取)为例并保持不变，L在55mm～100mm之间以5mm步长在HFSS上进行仿真，取仿真数据并在MATLAB上完成拟合曲线(如图7所示)以及采用多项式拟合得出对应的拟合公式：

Q＝8500+1000*sin(0.1*A*(θ-B))

A＝1.059，B＝40.93

同理可获取θ＝45°为例，取仿真数据并在MATLAB上完成拟合曲线(如图8所示)及对应的拟合公式：

Q＝8000+2200*sin(0.1*A*(θ-B))

A＝0.21，B＝35.15

同理可获取θ＝60°为例，取仿真数据并在MATLAB上完成拟合曲线(如图9所示)及对应的拟合公式：

Q＝8500+1300*sin(0.1*A*(θ-B))

A＝0.21，B＝-52.75

从图7、8、9可以看到，L值对Q值的影响较大，且可以看出L与Q值呈正弦相关关系。

步骤4、结合步骤2、步骤3，同时改变θ和L，通过步骤3得到的数据在MATLAB上画出三维散点图，并采用多项式拟合方法得到θ和L两个参数与Q值的拟合曲面与拟合公式。

θ值变化范围：10°～85°；步长可取1～10°(不同的步长所得实验精度略有差异，本实施例仿真以步长为10°为例)，L值变化范围55～100mm。以此类推直至θ变化从10°变化至85°，设置每一个θ值对应的L值范围，并在HFSS上完成仿真。仿真结果所得散点图及拟合曲线如图10所示，采用多项式拟合方法得到对应的拟合公式如下：

Q＝p00+p10*L+p01*θ+p20*L^2+p11*L*θ+p02*θ^2+p30*L^3+p21*L^2*θ+p12*L*θ^2+p03*θ^3+p40*L^4+p31*L^3*θ+p22*L^2*+p13*L*θ^3+p04*L^4

(其中：p00＝7.553e+05，p10＝-3.915e+04，p01＝-1159，p20＝754.7，p11＝54.8，p02＝-11.53 p30＝-6.369，p21＝-0.6854，p12＝0.0306，p03＝0.1584，p40＝0.01992，p31＝0.002559，p22＝0.0004088，p13＝-0.0005823，p04＝-0.0006268)

步骤5、以步骤4所得拟合公式在步骤2确定的θ和L取值范围内求解最优Q值，即通过将步骤2确定的θ和L值带入步骤4最终所得拟合公式，得出具体最优Q值，此时对应的θ和L的值即为优化Q值后的矩形波导法波干涉滤波器的参数。取角度θ＝70°、L＝80mm求解X波段矩形波导法干涉滤波器最优Q值为11050.6。

使用仿真软件HFSS对求解结果进行验证。按照上述参数对滤波器进行设置，运行并记录Q值为11045.3。图10为Q值随θ和L双参数变化的三维散点图，各点对应同时满足两个参数时Q值的大小，本实施例所给出的函数关系图像为一三维曲面。如图10所示，该曲面可以覆盖几乎全部的散点。通过以上实施例仿真软件测试出的结果可见与计算出的结果非常接近，因而可以证明本发明所提出的X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计求解方法的准确性。该曲面可以覆盖几乎全部的散点。因此对比散点和函数图像的分布，可以证明本发明的准确性。

综上可见，本发明通过研究X波段矩形波导法波干涉滤波器Q值与各项参数(L、θ)之间的关系，分别将参数θ和L的变化与Q值联系起来拟合得到相应的公式；然后利用MATLAB根据θ和L单一参数与有效Q值的关系再次进行公式拟合，从而得到Q值与θ和L两者共同的关系曲线以及对应的拟合公式，实现了Q值与θ和L的精确定量，据此在不影响器件原有性能的前提下求得最优Q值，将此时的参数作为优化后的X波段矩形波导法波干涉滤波器参数。本发明最终可通过带入函数的方式来快速计算Q值，在保证准确性的同时，为设计高Q值X波段矩形波导法干涉滤波器提供了数据基础。并且对器件性能进行快速判断，加快了该类干涉滤波器的设计和测试周期，实现了更优化的设计。

Claims (1)

1.一种X波段矩形波导法波干涉滤波器的Q值优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、对待优化矩形波导法波干涉滤波器进行参数提取；由于法波干涉滤波器的矩形波导腔体中包含两种不同填充介质，该两种填充介质按入射波方向分段填满于矩形波导腔体当中，填充介质1填充于矩形波导腔体的中间部分，其沿波传输方向的一个截面为夹角θ的四边形，另一个截面为矩形，即波的传播方向与填充介质1两个填充面均成θ的夹角，填充介质1在矩形波导腔体中沿波传播方向的填充长度为L；填充介质2为两部分，分别相适应地填充于填充介质1两侧；

步骤2、以待优化矩形波导法波干涉滤波器的参数夹角θ和长度L为中心做范围变化并代入HFSS仿真软件中进行变量仿真测试；并根据现有的设计常识，在满足该法波干涉滤波器指标符合标准的前提下：确定夹角θ和长度L的取值范围，θ为10～85°；

步骤3、将步骤1和步骤2所得参数在HFSS内进行建模仿真，通过数理统计方法：

利用仿真以步长0.1°～1°得到夹角θ与Q值的关系曲线，采用多项式拟合得出对应的拟合公式，可以看出夹角θ和Q值呈正弦相关关系；

利用仿真得到长度L与Q值的关系曲线，采用多项式拟合得出对应的拟合公式，可以看出L与Q值呈正弦相关关系；

步骤4、同时改变θ和L，通过上述步骤3得到的数据在MATLAB上画出三维散点图，并采用多项式拟合方法得到θ和L两个参数与Q值的拟合曲面与拟合公式；

步骤5、以步骤4所得拟合公式在步骤2确定的θ和L取值范围内求解最优Q值，即通过将步骤2确定的θ和L值带入步骤4最终所得拟合公式，得出具体最优Q值，此时对应的θ和L的值即为优化Q值后的矩形波导法波干涉滤波器的参数。

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