專利名稱：一種利用介質(zhì)塊設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波器件領(lǐng)域，涉及一種利用介質(zhì)塊通過子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法。
背景技術(shù)：
波導(dǎo)的不連續(xù)性是指波導(dǎo)中存在或結(jié)構(gòu)、或物質(zhì)的不均勻性，或結(jié)構(gòu)和物質(zhì)都存在不均勻性。將介質(zhì)加入波導(dǎo)中后，就使波導(dǎo)具有了介質(zhì)不連續(xù)性，傳輸波的一部分在不均勻部分發(fā)生反射，另一部分則繼續(xù)傳播，分析反射和透射的能量分配，能有效地指導(dǎo)微波器件的設(shè)計。各種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)在微波電路中獲得了許多重要的應(yīng)用，比如波導(dǎo)濾波器、環(huán)行器、波導(dǎo)接頭及耦合器等。以腔體級聯(lián)耦合波導(dǎo)濾波器為例，在波導(dǎo)中橫向設(shè)置矩形介質(zhì)條帶，介質(zhì)條帶的性質(zhì)、形狀、數(shù)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(zhì)本身的性質(zhì)對波的反射和透射起著主要作用。雖然利用介質(zhì)設(shè)計的波導(dǎo)濾波器簡單、效果好，但是目前利用介質(zhì)設(shè)計波導(dǎo)濾波器還是一項繁瑣艱巨的工作，所以利用介質(zhì)構(gòu)成的波導(dǎo)濾波器的種類也很有限。如今對波導(dǎo)不連續(xù)性問題的分析已經(jīng)越來越有效，如子結(jié)構(gòu)拼裝及精細(xì)積分算法在計算機的幫助下可以在幾秒鐘內(nèi)分析出微波范圍內(nèi)各種頻率下介質(zhì)的反射系數(shù)和透射系數(shù)，包括各向同性介質(zhì)也包括各向異性介質(zhì)。如果利用對波導(dǎo)不連續(xù)性問題的分析的成果進(jìn)行波導(dǎo)濾波器的設(shè)計，則可大大提高波導(dǎo)濾波器設(shè)計的效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高設(shè)計波導(dǎo)濾波器效率，本發(fā)明提供一種利用子結(jié)構(gòu)拼裝方及精細(xì)積分法得到波導(dǎo)中介質(zhì)對微波的反射系數(shù)和透射系數(shù)來設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是設(shè)計一種利用介質(zhì)塊設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法，將兩個以上的等尺寸介質(zhì)塊等間距沿波導(dǎo)管排列構(gòu)成波導(dǎo)濾波器，根據(jù)不同條件分為如下兩種情況，(I)已知波導(dǎo)管的橫截面尺寸，介質(zhì)塊的尺寸、數(shù)量，及該介質(zhì)塊的相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的介質(zhì)塊的目標(biāo)間距，其步驟如下利用計算機，根據(jù)波導(dǎo)管橫截面的尺寸，介質(zhì)塊的尺寸、數(shù)量、相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)，使用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法得到各介質(zhì)塊從間距I毫米至20毫米范圍內(nèi)，以I毫米為步長，介質(zhì)塊不同間距情況下的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，根據(jù)得到的各反射系數(shù)和透射系數(shù)，找出與目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的要求最接近的頻帶所對應(yīng)的間距，作為所述目標(biāo)間距；(2)已知波導(dǎo)管的橫截面尺寸，介質(zhì)塊的相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)，以及目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的介質(zhì)塊的目標(biāo)尺寸和目標(biāo)間距，其步驟如下利用計算機，輸入波導(dǎo)管橫截面的尺寸，輸入目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶要求，輸入介質(zhì)塊的相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)；取步長為I毫米，分別在介質(zhì)塊的長、寬、高上遞加，其中，寬和高從I毫米至波導(dǎo)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，并且對于每一種尺寸的介質(zhì)塊，使用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法得到兩個該介質(zhì)塊從間距I毫米至20毫米范圍內(nèi)，以I毫米為步長，介質(zhì)塊不同間距情況下的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，從而得出各種尺寸下并各種間距下的兩個介質(zhì)塊的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，并且利用計算機將上述結(jié)果與目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶進(jìn)行比較，取最接近的結(jié)果，得到介質(zhì)塊的粗尺寸及目標(biāo)間距；然后，取步長為0.1毫米，分別在介質(zhì)塊的長、寬、高上遞加，其遞加范圍分別是從所述粗尺寸介質(zhì)塊的長、寬、高減I毫米至所述粗尺寸介質(zhì)塊的長、寬、高加I毫米，再使用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法得到在新的范圍內(nèi)每一個尺寸下的兩個介質(zhì)塊以所得目標(biāo)間距放置時的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，并利用計算機將該結(jié)果與目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶進(jìn)行比較，取最接近的結(jié)果得到介質(zhì)塊的目標(biāo)尺寸，當(dāng)目標(biāo)尺寸的寬或高大于波導(dǎo)管的橫截面尺寸時，取波導(dǎo)管的橫截面尺寸的寬或高作為目標(biāo)尺寸的寬或高。本方案的實現(xiàn)主要借助于子結(jié)構(gòu)拼裝及精細(xì)積分算法的應(yīng)用，子結(jié)構(gòu)拼裝及精細(xì)積分算法使高效地計算介質(zhì)的反射系數(shù)和透射系數(shù)成為可能，如2009年北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報發(fā)表的《精細(xì)積分算法在波導(dǎo)不連續(xù)性問題中的應(yīng)用》及2012年光子學(xué)報發(fā)表的《精細(xì)積分法在一維光子晶體數(shù)值模擬中的應(yīng)用》，其中詳細(xì)介紹了利用子結(jié)構(gòu)拼裝法和精細(xì)積分法得到各向同性和各向異性的晶體介質(zhì)對波導(dǎo)中微波信號的透射率和反射率。下面具體介紹子結(jié)構(gòu)拼裝分及精細(xì)積分法的具體應(yīng)用方法，按照如下步驟得到微波在介質(zhì)中的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T:在介質(zhì)體的兩側(cè)對波導(dǎo)進(jìn)行截斷，并使截斷面離介質(zhì)塊足夠遠(yuǎn)，保證由介質(zhì)體激勵的高次模在到達(dá)截斷面前已經(jīng)消失；將波導(dǎo)沿縱向分成三個子結(jié)構(gòu)，三個子結(jié)構(gòu)分別為，一個含介質(zhì)體的不均勻部分的子結(jié)構(gòu)、兩個不含介質(zhì)體的分別從介質(zhì)體兩端到對應(yīng)的截斷面的子結(jié)構(gòu)。對于其中的一個子結(jié)構(gòu)，設(shè)該子結(jié)構(gòu)的兩個端面的z坐標(biāo)分別為Za和zb，考慮齊次邊界條件，與矢量波動方程相對應(yīng)的泛函為，
權(quán)利要求
1.一種利用介質(zhì)塊設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法，將兩個以上的等尺寸介質(zhì)塊等間距沿波導(dǎo)管排列構(gòu)成波導(dǎo)濾波器，根據(jù)不同條件分為如下兩種情況: (1)已知波導(dǎo)管的橫截面尺寸，介質(zhì)塊的尺寸、數(shù)量，及該介質(zhì)塊的相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的介質(zhì)塊的目標(biāo)間距，其步驟如下:利用計算機，根據(jù)波導(dǎo)管橫截面的尺寸，介質(zhì)塊的尺寸、數(shù)量、相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)，使用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法得到各介質(zhì)塊從間距I毫米至20毫米范圍內(nèi)，以I毫米為步長，介質(zhì)塊不同間距情況下的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，根據(jù)得到的各反射系數(shù)和透射系數(shù)，找出與目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的要求最接近的頻帶所對應(yīng)的間距，作為所述目標(biāo)間距； (2)已知波導(dǎo)管的橫截面尺寸，介質(zhì)塊的相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)，以及目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的介質(zhì)塊的目標(biāo)尺寸和目標(biāo)間距，其步驟如下:利用計算機，輸入波導(dǎo)管橫截面的尺寸，輸入目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶要求，輸入介質(zhì)塊的相對介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)；取步長為I毫米，分別在介質(zhì)塊的長、寬、高上遞加，其中，寬和高從I毫米至波導(dǎo)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，并且對于每一種尺寸的介質(zhì)塊，使用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法得到兩個該介質(zhì)塊從間距I毫米至20毫米范圍內(nèi)，以I毫米為步長，介質(zhì)塊不同間距情況下的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，從而得出各種尺寸下并各種間距下的兩個介質(zhì)塊的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，并且利用計算機將上述結(jié)果與目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶進(jìn)行比較，取最接近的結(jié)果，得到介質(zhì)塊的粗尺寸及目標(biāo)間距；然后，取步長為0.1毫米，分別在介質(zhì)塊的長、寬、高上遞加，其遞加范圍分別是從所述粗尺寸介質(zhì)塊的長、寬、高減I毫米至所述粗尺寸介質(zhì)塊的長、寬、高加I毫米，再使用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法得到在新的范圍內(nèi)每一個尺寸下的兩個介質(zhì)塊以所得目標(biāo)間距放置時的微波范圍內(nèi)的各種頻率的反射系數(shù)和透射系數(shù)，并利用計算機將該結(jié)果與目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的頻帶進(jìn)行比較，取最接近的結(jié)果，得到介質(zhì)塊的目標(biāo)尺寸，當(dāng)目標(biāo)尺寸的寬或高大于波導(dǎo)管的橫截面尺寸時，取波導(dǎo)管的橫截面尺寸的寬或高作為目 標(biāo)尺寸的寬或高。
全文摘要
一種利用介質(zhì)塊設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法，屬于微波器件領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種利用子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法高效設(shè)計波導(dǎo)濾波器的方法，該方法分為兩種情況，情況一是利用現(xiàn)有介質(zhì)塊的尺寸和數(shù)量，確定各介質(zhì)塊的之間的距離，設(shè)計出符合要求的波導(dǎo)濾波器；情況二是根據(jù)目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的要求計算出現(xiàn)有介質(zhì)塊的尺寸和介質(zhì)塊之間的距離來滿足目標(biāo)波導(dǎo)濾波器的要求，從而設(shè)計出符合要求的波導(dǎo)濾波器。本發(fā)明利用了子結(jié)構(gòu)拼裝法及精細(xì)積分法能夠高效地計算出微波范圍內(nèi)的各種頻率下介質(zhì)的反射系數(shù)和透射系數(shù)的這個優(yōu)勢，使得用介質(zhì)設(shè)計波導(dǎo)濾波器達(dá)到了易如反掌的程度，實現(xiàn)了高效設(shè)計波導(dǎo)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(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者楊紅衛(wèi), 慕振峰, 楊旭東 申請人:北京工業(yè)大學(xué)