微波滤波器自动调试技术

滤波器拓扑结构和耦合矩阵

随着现代无线通信系统的快速发展，无线电频谱也变得越来越拥挤，无线电通讯系统对微波滤波器的要求也越来越高。除了要求微波滤波器具有高选择性之外，系统还对通带内群时延和幅度的一致性、滤波器的功率容量、滤波器的温度稳定性等都提出了越来越高的要求。最近几十年里，滤波器设计技术也随着通讯技术的进步不断发展。特别是广义切比雪夫滤波器综合技术的问世，为高性能滤波器设计带来了曙光。1980年Cameron提出了微波滤波器的通用原型网络综合法，他又在1999年和2003年分别提出广义切比雪夫滤波函数的耦合矩阵法和源和负载交叉耦合理论。通用的滤波器电路如图1所示。

图1 滤波器通用拓扑图

上图中的滤波器可以用如下的耦合矩阵表示：

耦合矩阵反映了滤波器的拓扑结构，耦合器矩阵的提出对滤波器的设计带来了新的突破。

1. 能通过引入有限频率的传输零点而不用增加滤波器阶数来提高滤波器的选择性。

2. 通过特定的交叉耦合，广义切比雪夫滤波器可以产生复数传输零点，以改善通带内的群时延特性。

3. 传输零点位置可以任意指定，增加了设计的灵活性。

腔体滤波器拓扑结构也经历了多个发展阶段，具体包括：

1. 早期的拓扑结构比较简单，不存在非相邻腔体的耦合，滤波器的零点一般都在无穷远处。通过引入非相邻腔体的耦合（交叉耦合），提高了滤波器的选择性，最多可以产生N-2个传输零点。

2. 通过引入源与负载的直接耦合进一步提高了交叉耦合滤波器的性能，最多可以产生N个零点。

3. 滤波器的拓扑结构从普通的折叠形、异形、轮形、CT和CQ形拓扑结构进一步发展到箱形拓扑结构。

4. 由于这类滤波器的传输零点位置可以任意指定，增加了设计的灵活性，因此出现了各种不同特性的滤波器，如双通带（阻带）或多通带（阻带）滤波器。

耦合矩阵的综合

通过对广义切比雪夫滤波器传输函数和反射函数的推导，可以得到滤波器传输函数和反射函数的解析表达式。使用Matlab编写程序，可以方便的查看理想的滤波器频率响应对应的各耦合系数的理论值。这些耦合系数的理论值就是后续滤波器调试过程中所要参照的目标值。德是和科技开发的Matlab耦合矩阵综合程序界面如图2所示。

图2 德是和耦合矩阵综合程序界面

滤波器的自动调试

随着商业电磁场仿真软件的普遍运用，滤波器的设计套路变得非常固定。常见的商业软件都可以进行原理电路综合以及滤波器结构的优化仿真。然而，对于复杂结构的滤波器，由于设计参数太多，对结构进行优化是一个费时费力的过程。为此，各种各样的计算机辅助设计技术（CAD）相继出现，给滤波器的仿真设计提供了新的思路。在滤波器的实际调试过程中，由于设计的不精确性，加工误差的存在，以及滤波器本身的调谐要求，滤波器生产后的调试都是不可避免的。传统的调试方法依赖于熟练调试工人的经验，不仅费时费力，而且对于高阶复杂的滤波器几乎无能为力。滤波器的调试制约着整个生产的周期，因而工程中亟需发展能够有效指导调试人员的计算机辅助调试技术（CAT），机辅调试是微波工程中一个较新的领域。

滤波器自动调试的核心是滤波器参数提取技术。通过对计算机仿真得到的，或者实际测量得到的滤波器频率响应进行参数提取，可以得到当前滤波器各耦合系数和谐振频率的数值。结合耦合矩阵提取程序，仿真或实测的滤波器的耦合矩阵与目标矩阵的差值一目了然, 这样就确定了接下来滤波器调试的方向和幅度,给调试工作带来极大方便。自动调试技术的原理如图3所示。

图3 自动调试流程

德是和科技开发的滤波器参数提取程序界面如图4所示。

图4 德是和滤波器参数提取程序界面

自动调试的后续发展

目前，利用已经开发完成的耦合矩阵综合程序和耦合系数参数提取程序，德是和科技可以有效缩短滤波器的计算机仿真实际和实际调试工作时间，为真正实现滤波器的自动调试打下了坚实的基础。接下来，德是和科技的滤波器自动调试产品还会继续增加新功能，包括：

1. 将自动调试模块导入网络分析仪平台，继续提高调试工作效率。

2. 为滤波器各调节装置开发机械控制模块，使得可以通过计算机指令直接控制滤波器各调节装置的位置和深度，实现滤波器的远程调试。

3. 为参数提取程序开发自动优化功能，使得程序具备自我诊断、自我优化、自我调节的功能，真正实现滤波器的自动调试。

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