TE模介質(zhì)諧振濾波器的設(shè)計

陸超，江娟，方丹華，竇占明，章天金

（湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062）

0 引言

近年來，隨著移動通信事業(yè)的快速發(fā)展，頻譜資源越來越緊張，因此對通信器件的性能要求也越來越高.濾波器作為微波通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，不僅要求性能穩(wěn)定，而且需要體積小，插入損耗低，矩形系數(shù)好等.而與以往的基站金屬腔體濾波器相比，介質(zhì)腔體濾波器［1-2]不僅體積小和插入損耗低，而且性能比較穩(wěn)定，近年來已廣泛應(yīng)用于雷達，衛(wèi)星以及4G移動通信系統(tǒng).

由理論可知，電磁波進入高介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料以后波長會變短，而TE模介質(zhì)諧振器是由高Q值，低損耗和高介電常數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料組成，此微波介質(zhì)陶瓷材料具有近零的頻率溫度系數(shù)，因此這種高介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)腔體濾波器的小型化，而且具有高的選擇性，適用于基站窄帶濾波器的設(shè)計與生產(chǎn)；另外，TE模介質(zhì)腔體濾波器［3]設(shè)計方便，平面布局結(jié)構(gòu)靈活，加工成本較低，基于切比雪夫函數(shù)的準(zhǔn)橢圓函數(shù)可以引入到平面布局的TE模介質(zhì)諧振濾波器當(dāng)中，在通帶外引入有限的傳輸零點，使濾波器帶外抑制提高，且?guī)鈧鬏斄泓c的位置也比較靈活.本文中設(shè)計的TD-LTE頻段微波介質(zhì)腔體濾波器的重點在于通過矩陣變換與綜合得出濾波器歸一化耦合矩陣，并合理地選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS設(shè)計與調(diào)試出理想化的濾波器函數(shù)響應(yīng).

1 介質(zhì)腔體濾波器的設(shè)計

1.1 耦合系數(shù)與端口Q值本文中設(shè)計的微波介質(zhì)陶瓷腔體濾波器應(yīng)用于移動TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)指標(biāo)為中心頻率f0=2 600MHz，帶寬BW=40MHz，插入損耗≤0.5 dB，駐波比≤1.35，帶外30MHz處的抑制≥60 dB；先對以上技術(shù)指標(biāo)進行評估，得出濾波器級數(shù)設(shè)計為8階時可以滿足以上技術(shù)指標(biāo)，利用濾波器雙CT結(jié)構(gòu)［4]在帶外±30MHz左右處各引入一個傳輸零點，最后通過文獻［5]中的方法綜合得出耦合矩陣如下所示：

計算得出濾波器耦合系數(shù)［6]分別為：M12=0.012 24，M13=-0.003 1，M23=0.008 7，M34=0.008 5，M45=0.008 1，M46=0.001 96，M56=0.008 27，M67=0.009 1，M78=0.012 6，其中，腔體1與3，4與6之間形成交叉耦合［7]，濾波器端口Qe值為66.3.

1.2 介質(zhì)濾波器單腔仿真濾波器單個腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別由金屬腔體，調(diào)諧螺釘，介質(zhì)諧振器和介質(zhì)支撐組成.其中，金屬腔體內(nèi)表面鍍銀，調(diào)諧螺釘采用直徑為4mm的鍍銀螺釘，介質(zhì)諧振器采用介電常數(shù)45左右的微波介質(zhì)陶瓷材料，電氣參數(shù)為外徑20mm，內(nèi)徑7mm，厚度9mm，頻率溫度系數(shù)近零，無載Q值大于7 000.介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)采用低介電常數(shù)氧化鋁陶瓷材料，其一方面可以減少介質(zhì)的損耗，另一方面可以提高介質(zhì)諧振器單腔無載Q值，進而降低損耗，介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)高度為12.7mm，外徑為11.7mm，內(nèi)徑為8mm；整個介質(zhì)諧振器通過直徑3mm的螺釘固定在金屬腔體的底部.一般而言，為了減少金屬腔體的損耗，腔體的尺寸要大于等于介質(zhì)諧振器直徑的1.5倍，通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS建模計算分析得出單個腔體結(jié)構(gòu)大小設(shè)計為30mm×30mm×30mm時滿足設(shè)計要求.由于實際機械加工很難加工出90°直角，本設(shè)計根據(jù)實際情況對腔體進行半徑5mm的倒角處理.

圖1 濾波器單腔模型

在HFSS本征模式下求出單腔諧振頻率如圖2所示，其中h代表調(diào)諧螺釘?shù)拈L度，從圖中可以看出，隨著調(diào)諧螺釘長度的增加，介質(zhì)諧振器單腔的諧振頻率f逐漸增大，由于加入耦合結(jié)構(gòu)以后，各個腔體之間會產(chǎn)生相互影響，介質(zhì)濾波器單腔的諧振頻率會下降，所以在設(shè)計的時候選取的介質(zhì)諧振器單腔的諧振頻率要略高于所設(shè)計的中心頻率［8].

圖2 單腔諧振頻率的仿真

圖3 輸入輸出端口耦合結(jié)構(gòu)

1.3 端口群時延仿真確定了單個金屬腔體的大小以及諧振頻率以后，要確定輸入和輸出端口的耦合方式，對于介質(zhì)濾波器而言，比較常見的兩種輸入輸出方式分別為抽頭圓環(huán)接地方式與垂直金屬桿耦合方式，抽頭圓環(huán)接地方式適用于帶寬較窄的濾波器，雖然調(diào)節(jié)方便但工藝性差，不利于商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，而垂直金屬桿的耦合形式通過一根金屬桿與SMA接頭相連接，如圖3所示，金屬桿與TE模介質(zhì)諧振器的磁場垂直，通過調(diào)節(jié)金屬桿與介質(zhì)諧振器的距離以及金屬桿的長度可以調(diào)節(jié)輸入輸出耦合的強弱，金屬桿越靠近介質(zhì)諧振器，長度越長，輸入耦合就越強，反之則越弱.

由前文的數(shù)據(jù)可知端口Q值為66.3，通過公式（1）可以得出端口群時延［9]τd的大小.

式中，f0代表介質(zhì)諧振器中心頻率，Qe代表端口Q值，利用HFSS軟件的驅(qū)動模式求解出輸入輸出端口群時延結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，端口群時延約等于1.62×10-8s，滿足了端口輸入輸出設(shè)計要求，此時可以得出金屬桿距離介質(zhì)諧振器的距離以及金屬桿的長度.

圖4 輸入輸出端口群時延

圖5 雙腔耦合模型

1.4 介質(zhì)濾波器耦合窗口仿真理想的TE模介質(zhì)諧振器［10]中的電場在垂直方向上為零，磁場在水平方向上為零，并且介質(zhì)諧振器中約95%的電場能量與60%的磁場能量集中在介質(zhì)諧振器當(dāng)中，其他能量則分布在腔體自由空間當(dāng)中.介質(zhì)諧振器之間的耦合分為電耦合與磁耦合，兩個介質(zhì)諧振器之間的耦合一般通過窗口來實現(xiàn)，窗口的大小影響著兩個腔體之間耦合的強弱，由于介質(zhì)諧振器中TM模在窗口處的耦合更容易被激勵，所以相鄰腔體之間的窗口不能夠開的太大，介質(zhì)諧振器之間的耦合通過鍍銀螺釘來調(diào)節(jié)，而交叉耦合部分直接通過探針來實現(xiàn)，利用HFSS建立直接耦合雙腔模型如圖5所示.

在本征模式下采用雙模法計算耦合系數(shù)的大小，模式數(shù)設(shè)置為2，模式1與模式2分別用f1與f2來定義，由于耦合系數(shù)小于0.1，所以雙腔之間的耦合系數(shù)計算公式如式（2）所示：

式中，f1和f2分別表示模式一和模式二的諧振頻率，得出的耦合系數(shù)為k.在軟件中設(shè)置耦合窗口的寬度為變量W，計算得出腔體間耦合系數(shù)如圖6所示，從圖中可以看出，隨著窗口的增大，耦合逐漸增強，這是由于窗口增大以后，兩個介質(zhì)諧振器磁場可以更容易地穿過窗口產(chǎn)生相互耦合作用，而機械加工的過程當(dāng)中會出現(xiàn)誤差，所以在窗口之間需加入耦合螺釘對介質(zhì)諧振器之間的耦合系數(shù)進行微調(diào).

圖6 雙腔耦合系數(shù)仿真結(jié)果

2 介質(zhì)濾波器全腔仿真與結(jié)果

通過以上分析確定好濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)以后，在HFSS中建立全腔的仿真模型如圖7所示，由于整體仿真的時候各個腔體之間會相互影響，故仿真出來的S參數(shù)值還不能達到技術(shù)指標(biāo)要求，這個時候還需要對濾波器進行調(diào)試［11].首先，對調(diào)諧螺釘進行調(diào)試，使諧振點盡量落在通帶內(nèi)，然后在對濾波器耦合螺釘進行微調(diào)，通過查看HFSS軟件中全波S參數(shù)仿真結(jié)果，直到得出滿足要求的濾波器響應(yīng).

通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對濾波器進行反復(fù)調(diào)試后，得出濾波器全波仿真S參數(shù)如圖8所示，從圖中可以看出，濾波器工作在中心頻率2.6GHz，通帶帶寬為40MHz，插入損耗小于0.2 dB，駐波比小于1.35，帶外30MHz左右處的抑制可以達到70 dB，濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求.

圖7 8階交叉耦合濾波器結(jié)構(gòu)

圖8 多次調(diào)試后濾波器S參數(shù)圖

3 結(jié)論

介紹了TE模介質(zhì)諧振濾波器的快速設(shè)計與仿真，設(shè)計了一款8階交叉耦合帶通濾波器，通過矩陣變換與綜合得出濾波器歸一化耦合矩陣以后，計算得出濾波器各個腔體之間的耦合系數(shù)以及端口外部品質(zhì)因素Q，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS計算出濾波器耦合窗口的大小以及輸入輸出端口的耦合形式，濾波器全腔S參數(shù)仿真與調(diào)試結(jié)果實現(xiàn)了中心頻率2.6GHz，通帶帶寬40MHz，插入損耗小于0.2 dB，駐波比小于1.35，帶外30MHz左右處的抑制達到了70 dB，仿真結(jié)果達到了設(shè)計要求.另外，文章中也提到了濾波器設(shè)計過程中要注意的細節(jié)問題，所以該方法在濾波器前期設(shè)計當(dāng)中具有很大的工程應(yīng)用價值，可為計算機輔助設(shè)計介質(zhì)濾波器提供參考.

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