一種利用介質塊設計波導濾波器的方法
2023-05-12 10:41:06
專利名稱：一種利用介質塊設計波導濾波器的方法
技術領域：
本發明屬於微波器件領域，涉及一種利用介質塊通過子結構拼裝法及精細積分法設計波導濾波器的方法。
背景技術：
波導的不連續性是指波導中存在或結構、或物質的不均勻性，或結構和物質都存在不均勻性。將介質加入波導中後，就使波導具有了介質不連續性，傳輸波的一部分在不均勻部分發生反射，另一部分則繼續傳播，分析反射和透射的能量分配，能有效地指導微波器件的設計。各種導波結構在微波電路中獲得了許多重要的應用，比如波導濾波器、環行器、波導接頭及耦合器等。以腔體級聯耦合波導濾波器為例，在波導中橫向設置矩形介質條帶，介質條帶的性質、形狀、數量、位置及方向，決定了濾波的頻率選擇和濾波效果，尤其介質本身的性質對波的反射和透射起著主要作用。雖然利用介質設計的波導濾波器簡單、效果好，但是目前利用介質設計波導濾波器還是一項繁瑣艱巨的工作，所以利用介質構成的波導濾波器的種類也很有限。如今對波導不連續性問題的分析已經越來越有效，如子結構拼裝及精細積分算法在計算機的幫助下可以在幾秒鐘內分析出微波範圍內各種頻率下介質的反射係數和透射係數，包括各向同性介質也包括各向異性介質。如果利用對波導不連續性問題的分析的成果進行波導濾波器的設計，則可大大提高波導濾波器設計的效率。
發明內容
為了提高設計波導濾波器效率，本發明提供一種利用子結構拼裝方及精細積分法得到波導中介質對微波的反射係數和透射係數來設計波導濾波器的方法。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是設計一種利用介質塊設計波導濾波器的方法，將兩個以上的等尺寸介質塊等間距沿波導管排列構成波導濾波器，根據不同條件分為如下兩種情況，(I)已知波導管的橫截面尺寸，介質塊的尺寸、數量，及該介質塊的相對介電係數和導磁係數，設計出能夠實現目標波導濾波器的介質塊的目標間距，其步驟如下利用計算機，根據波導管橫截面的尺寸，介質塊的尺寸、數量、相對介電係數和導磁係數，使用子結構拼裝法及精細積分法得到各介質塊從間距I毫米至20毫米範圍內，以I毫米為步長，介質塊不同間距情況下的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，根據得到的各反射係數和透射係數，找出與目標波導濾波器的要求最接近的頻帶所對應的間距，作為所述目標間距；(2)已知波導管的橫截面尺寸，介質塊的相對介電係數和導磁係數，以及目標波導濾波器的頻帶，設計出能夠實現目標波導濾波器的介質塊的目標尺寸和目標間距，其步驟如下利用計算機，輸入波導管橫截面的尺寸，輸入目標波導濾波器的頻帶要求，輸入介質塊的相對介電係數和導磁係數；取步長為I毫米，分別在介質塊的長、寬、高上遞加，其中，寬和高從I毫米至波導管的橫截面尺寸遞加，長從I毫米至L毫米遞加，其中10〈L〈30，並且對於每一種尺寸的介質塊，使用子結構拼裝法及精細積分法得到兩個該介質塊從間距I毫米至20毫米範圍內，以I毫米為步長，介質塊不同間距情況下的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，從而得出各種尺寸下並各種間距下的兩個介質塊的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，並且利用計算機將上述結果與目標波導濾波器的頻帶進行比較，取最接近的結果，得到介質塊的粗尺寸及目標間距；然後，取步長為0.1毫米，分別在介質塊的長、寬、高上遞加，其遞加範圍分別是從所述粗尺寸介質塊的長、寬、高減I毫米至所述粗尺寸介質塊的長、寬、高加I毫米，再使用子結構拼裝法及精細積分法得到在新的範圍內每一個尺寸下的兩個介質塊以所得目標間距放置時的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，並利用計算機將該結果與目標波導濾波器的頻帶進行比較，取最接近的結果得到介質塊的目標尺寸，當目標尺寸的寬或高大于波導管的橫截面尺寸時，取波導管的橫截面尺寸的寬或高作為目標尺寸的寬或高。本方案的實現主要藉助於子結構拼裝及精細積分算法的應用，子結構拼裝及精細積分算法使高效地計算介質的反射係數和透射係數成為可能，如2009年北京工業大學學報發表的《精細積分算法在波導不連續性問題中的應用》及2012年光子學報發表的《精細積分法在一維光子晶體數值模擬中的應用》，其中詳細介紹了利用子結構拼裝法和精細積分法得到各向同性和各向異性的晶體介質對波導中微波信號的透射率和反射率。下面具體介紹子結構拼裝分及精細積分法的具體應用方法，按照如下步驟得到微波在介質中的反射係數R和透射係數T:在介質體的兩側對波導進行截斷，並使截斷面離介質塊足夠遠，保證由介質體激勵的高次模在到達截斷面前已經消失；將波導沿縱向分成三個子結構，三個子結構分別為，一個含介質體的不均勻部分的子結構、兩個不含介質體的分別從介質體兩端到對應的截斷面的子結構。對於其中的一個子結構，設該子結構的兩個端面的z坐標分別為Za和zb，考慮齊次邊界條件，與矢量波動方程相對應的泛函為，
權利要求
1.一種利用介質塊設計波導濾波器的方法，將兩個以上的等尺寸介質塊等間距沿波導管排列構成波導濾波器，根據不同條件分為如下兩種情況: (1)已知波導管的橫截面尺寸，介質塊的尺寸、數量，及該介質塊的相對介電係數和導磁係數，設計出能夠實現目標波導濾波器的介質塊的目標間距，其步驟如下:利用計算機，根據波導管橫截面的尺寸，介質塊的尺寸、數量、相對介電係數和導磁係數，使用子結構拼裝法及精細積分法得到各介質塊從間距I毫米至20毫米範圍內，以I毫米為步長，介質塊不同間距情況下的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，根據得到的各反射係數和透射係數，找出與目標波導濾波器的要求最接近的頻帶所對應的間距，作為所述目標間距； (2)已知波導管的橫截面尺寸，介質塊的相對介電係數和導磁係數，以及目標波導濾波器的頻帶，設計出能夠實現目標波導濾波器的介質塊的目標尺寸和目標間距，其步驟如下:利用計算機，輸入波導管橫截面的尺寸，輸入目標波導濾波器的頻帶要求，輸入介質塊的相對介電係數和導磁係數；取步長為I毫米，分別在介質塊的長、寬、高上遞加，其中，寬和高從I毫米至波導管的橫截面尺寸遞加，長從I毫米至L毫米遞加，其中10〈L〈30，並且對於每一種尺寸的介質塊，使用子結構拼裝法及精細積分法得到兩個該介質塊從間距I毫米至20毫米範圍內，以I毫米為步長，介質塊不同間距情況下的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，從而得出各種尺寸下並各種間距下的兩個介質塊的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，並且利用計算機將上述結果與目標波導濾波器的頻帶進行比較，取最接近的結果，得到介質塊的粗尺寸及目標間距；然後，取步長為0.1毫米，分別在介質塊的長、寬、高上遞加，其遞加範圍分別是從所述粗尺寸介質塊的長、寬、高減I毫米至所述粗尺寸介質塊的長、寬、高加I毫米，再使用子結構拼裝法及精細積分法得到在新的範圍內每一個尺寸下的兩個介質塊以所得目標間距放置時的微波範圍內的各種頻率的反射係數和透射係數，並利用計算機將該結果與目標波導濾波器的頻帶進行比較，取最接近的結果，得到介質塊的目標尺寸，當目標尺寸的寬或高大于波導管的橫截面尺寸時，取波導管的橫截面尺寸的寬或高作為目 標尺寸的寬或高。
全文摘要
一種利用介質塊設計波導濾波器的方法，屬於微波器件領域。本發明提供了一種利用子結構拼裝法及精細積分法高效設計波導濾波器的方法，該方法分為兩種情況，情況一是利用現有介質塊的尺寸和數量，確定各介質塊的之間的距離，設計出符合要求的波導濾波器；情況二是根據目標波導濾波器的要求計算出現有介質塊的尺寸和介質塊之間的距離來滿足目標波導濾波器的要求，從而設計出符合要求的波導濾波器。本發明利用了子結構拼裝法及精細積分法能夠高效地計算出微波範圍內的各種頻率下介質的反射係數和透射係數的這個優勢，使得用介質設計波導濾波器達到了易如反掌的程度，實現了高效設計波導濾波器的目的。
文檔編號G06F17/50GK103077264SQ201210564319
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者楊紅衛, 慕振峰, 楊旭東 申請人:北京工業大學