专利名称：一种利用介质块设计波导滤波器的方法
技术领域：
本发明属于微波器件领域，涉及一种利用介质块通过子结构拼装法及精细积分法设计波导滤波器的方法。
背景技术：
波导的不连续性是指波导中存在或结构、或物质的不均匀性，或结构和物质都存在不均匀性。将介质加入波导中后，就使波导具有了介质不连续性，传输波的一部分在不均匀部分发生反射，另一部分则继续传播，分析反射和透射的能量分配，能有效地指导微波器件的设计。各种导波结构在微波电路中获得了许多重要的应用，比如波导滤波器、环行器、波导接头及耦合器等。以腔体级联耦合波导滤波器为例，在波导中横向设置矩形介质条带，介质条带的性质、形状、数量、位置及方向，决定了滤波的频率选择和滤波效果，尤其介质本身的性质对波的反射和透射起着主要作用。虽然利用介质设计的波导滤波器简单、效果好，但是目前利用介质设计波导滤波器还是一项繁琐艰巨的工作，所以利用介质构成的波导滤波器的种类也很有限。如今对波导不连续性问题的分析已经越来越有效，如子结构拼装及精细积分算法在计算机的帮助下可以在几秒钟内分析出微波范围内各种频率下介质的反射系数和透射系数，包括各向同性介质也包括各向异性介质。如果利用对波导不连续性问题的分析的成果进行波导滤波器的设计，则可大大提高波导滤波器设计的效率。
发明内容
为了提高设计波导滤波器效率，本发明提供一种利用子结构拼装方及精细积分法得到波导中介质对微波的反射系数和透射系数来设计波导滤波器的方法。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是设计一种利用介质块设计波导滤波器的方法，将两个以上的等尺寸介质块等间距沿波导管排列构成波导滤波器，根据不同条件分为如下两种情况，(I)已知波导管的横截面尺寸，介质块的尺寸、数量，及该介质块的相对介电系数和导磁系数，设计出能够实现目标波导滤波器的介质块的目标间距，其步骤如下利用计算机，根据波导管横截面的尺寸，介质块的尺寸、数量、相对介电系数和导磁系数，使用子结构拼装法及精细积分法得到各介质块从间距I毫米至20毫米范围内，以I毫米为步长，介质块不同间距情况下的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，根据得到的各反射系数和透射系数，找出与目标波导滤波器的要求最接近的频带所对应的间距，作为所述目标间距；(2)已知波导管的横截面尺寸，介质块的相对介电系数和导磁系数，以及目标波导滤波器的频带，设计出能够实现目标波导滤波器的介质块的目标尺寸和目标间距，其步骤如下利用计算机，输入波导管横截面的尺寸，输入目标波导滤波器的频带要求，输入介质块的相对介电系数和导磁系数；取步长为I毫米，分别在介质块的长、宽、高上递加，其中，宽和高从I毫米至波导管的横截面尺寸递加，长从I毫米至L毫米递加，其中10〈L〈30，并且对于每一种尺寸的介质块，使用子结构拼装法及精细积分法得到两个该介质块从间距I毫米至20毫米范围内，以I毫米为步长，介质块不同间距情况下的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，从而得出各种尺寸下并各种间距下的两个介质块的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，并且利用计算机将上述结果与目标波导滤波器的频带进行比较，取最接近的结果，得到介质块的粗尺寸及目标间距；然后，取步长为0.1毫米，分别在介质块的长、宽、高上递加，其递加范围分别是从所述粗尺寸介质块的长、宽、高减I毫米至所述粗尺寸介质块的长、宽、高加I毫米，再使用子结构拼装法及精细积分法得到在新的范围内每一个尺寸下的两个介质块以所得目标间距放置时的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，并利用计算机将该结果与目标波导滤波器的频带进行比较，取最接近的结果得到介质块的目标尺寸，当目标尺寸的宽或高大于波导管的横截面尺寸时，取波导管的横截面尺寸的宽或高作为目标尺寸的宽或高。本方案的实现主要借助于子结构拼装及精细积分算法的应用，子结构拼装及精细积分算法使高效地计算介质的反射系数和透射系数成为可能，如2009年北京工业大学学报发表的《精细积分算法在波导不连续性问题中的应用》及2012年光子学报发表的《精细积分法在一维光子晶体数值模拟中的应用》，其中详细介绍了利用子结构拼装法和精细积分法得到各向同性和各向异性的晶体介质对波导中微波信号的透射率和反射率。下面具体介绍子结构拼装分及精细积分法的具体应用方法，按照如下步骤得到微波在介质中的反射系数R和透射系数T:在介质体的两侧对波导进行截断，并使截断面离介质块足够远，保证由介质体激励的高次模在到达截断面前已经消失；将波导沿纵向分成三个子结构，三个子结构分别为，一个含介质体的不均匀部分的子结构、两个不含介质体的分别从介质体两端到对应的截断面的子结构。对于其中的一个子结构，设该子结构的两个端面的z坐标分别为Za和zb，考虑齐次边界条件，与矢量波动方程相对应的泛函为，
权利要求
1.一种利用介质块设计波导滤波器的方法，将两个以上的等尺寸介质块等间距沿波导管排列构成波导滤波器，根据不同条件分为如下两种情况: (1)已知波导管的横截面尺寸，介质块的尺寸、数量，及该介质块的相对介电系数和导磁系数，设计出能够实现目标波导滤波器的介质块的目标间距，其步骤如下:利用计算机，根据波导管横截面的尺寸，介质块的尺寸、数量、相对介电系数和导磁系数，使用子结构拼装法及精细积分法得到各介质块从间距I毫米至20毫米范围内，以I毫米为步长，介质块不同间距情况下的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，根据得到的各反射系数和透射系数，找出与目标波导滤波器的要求最接近的频带所对应的间距，作为所述目标间距； (2)已知波导管的横截面尺寸，介质块的相对介电系数和导磁系数，以及目标波导滤波器的频带，设计出能够实现目标波导滤波器的介质块的目标尺寸和目标间距，其步骤如下:利用计算机，输入波导管横截面的尺寸，输入目标波导滤波器的频带要求，输入介质块的相对介电系数和导磁系数；取步长为I毫米，分别在介质块的长、宽、高上递加，其中，宽和高从I毫米至波导管的横截面尺寸递加，长从I毫米至L毫米递加，其中10〈L〈30，并且对于每一种尺寸的介质块，使用子结构拼装法及精细积分法得到两个该介质块从间距I毫米至20毫米范围内，以I毫米为步长，介质块不同间距情况下的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，从而得出各种尺寸下并各种间距下的两个介质块的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，并且利用计算机将上述结果与目标波导滤波器的频带进行比较，取最接近的结果，得到介质块的粗尺寸及目标间距；然后，取步长为0.1毫米，分别在介质块的长、宽、高上递加，其递加范围分别是从所述粗尺寸介质块的长、宽、高减I毫米至所述粗尺寸介质块的长、宽、高加I毫米，再使用子结构拼装法及精细积分法得到在新的范围内每一个尺寸下的两个介质块以所得目标间距放置时的微波范围内的各种频率的反射系数和透射系数，并利用计算机将该结果与目标波导滤波器的频带进行比较，取最接近的结果，得到介质块的目标尺寸，当目标尺寸的宽或高大于波导管的横截面尺寸时，取波导管的横截面尺寸的宽或高作为目 标尺寸的宽或高。
全文摘要
一种利用介质块设计波导滤波器的方法，属于微波器件领域。本发明提供了一种利用子结构拼装法及精细积分法高效设计波导滤波器的方法，该方法分为两种情况，情况一是利用现有介质块的尺寸和数量，确定各介质块的之间的距离，设计出符合要求的波导滤波器；情况二是根据目标波导滤波器的要求计算出现有介质块的尺寸和介质块之间的距离来满足目标波导滤波器的要求，从而设计出符合要求的波导滤波器。本发明利用了子结构拼装法及精细积分法能够高效地计算出微波范围内的各种频率下介质的反射系数和透射系数的这个优势，使得用介质设计波导滤波器达到了易如反掌的程度，实现了高效设计波导滤波器的目的。
文档编号G06F17/50GK103077264SQ201210564319
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者杨红卫, 慕振峰, 杨旭东 申请人:北京工业大学