TE模介质谐振滤波器的设计

陆超，江娟，方丹华，窦占明，章天金

（湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062）

0 引言

近年来，随着移动通信事业的快速发展，频谱资源越来越紧张，因此对通信器件的性能要求也越来越高.滤波器作为微波通信系统的关键器件，不仅要求性能稳定，而且需要体积小，插入损耗低，矩形系数好等.而与以往的基站金属腔体滤波器相比，介质腔体滤波器［1-2]不仅体积小和插入损耗低，而且性能比较稳定，近年来已广泛应用于雷达，卫星以及4G移动通信系统.

由理论可知，电磁波进入高介电常数的微波介质材料以后波长会变短，而TE模介质谐振器是由高Q值，低损耗和高介电常数的微波介质陶瓷材料组成，此微波介质陶瓷材料具有近零的频率温度系数，因此这种高介电常数的微波介质材料不仅能够实现腔体滤波器的小型化，而且具有高的选择性，适用于基站窄带滤波器的设计与生产；另外，TE模介质腔体滤波器［3]设计方便，平面布局结构灵活，加工成本较低，基于切比雪夫函数的准椭圆函数可以引入到平面布局的TE模介质谐振滤波器当中，在通带外引入有限的传输零点，使滤波器带外抑制提高，且带外传输零点的位置也比较灵活.本文中设计的TD-LTE频段微波介质腔体滤波器的重点在于通过矩阵变换与综合得出滤波器归一化耦合矩阵，并合理地选择结构参数，利用高频结构仿真软件HFSS设计与调试出理想化的滤波器函数响应.

1 介质腔体滤波器的设计

1.1 耦合系数与端口Q值本文中设计的微波介质陶瓷腔体滤波器应用于移动TD-LTE网络，其技术指标为中心频率f0=2 600MHz，带宽BW=40MHz，插入损耗≤0.5 dB，驻波比≤1.35，带外30MHz处的抑制≥60 dB；先对以上技术指标进行评估，得出滤波器级数设计为8阶时可以满足以上技术指标，利用滤波器双CT结构［4]在带外±30MHz左右处各引入一个传输零点，最后通过文献［5]中的方法综合得出耦合矩阵如下所示：

计算得出滤波器耦合系数［6]分别为：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，腔体1与3，4与6之间形成交叉耦合［7]，滤波器端口Qe值为66.3.

1.2 介质滤波器单腔仿真滤波器单个腔体结构如图1所示，分别由金属腔体，调谐螺钉，介质谐振器和介质支撑组成.其中，金属腔体内表面镀银，调谐螺钉采用直径为4mm的镀银螺钉，介质谐振器采用介电常数45左右的微波介质陶瓷材料，电气参数为外径20mm，内径7mm，厚度9mm，频率温度系数近零，无载Q值大于7 000.介质支撑结构采用低介电常数氧化铝陶瓷材料，其一方面可以减少介质的损耗，另一方面可以提高介质谐振器单腔无载Q值，进而降低损耗，介质支撑结构高度为12.7mm，外径为11.7mm，内径为8mm；整个介质谐振器通过直径3mm的螺钉固定在金属腔体的底部.一般而言，为了减少金属腔体的损耗，腔体的尺寸要大于等于介质谐振器直径的1.5倍，通过高频结构仿真软件HFSS建模计算分析得出单个腔体结构大小设计为30mm×30mm×30mm时满足设计要求.由于实际机械加工很难加工出90°直角，本设计根据实际情况对腔体进行半径5mm的倒角处理.

图1 滤波器单腔模型

在HFSS本征模式下求出单腔谐振频率如图2所示，其中h代表调谐螺钉的长度，从图中可以看出，随着调谐螺钉长度的增加，介质谐振器单腔的谐振频率f逐渐增大，由于加入耦合结构以后，各个腔体之间会产生相互影响，介质滤波器单腔的谐振频率会下降，所以在设计的时候选取的介质谐振器单腔的谐振频率要略高于所设计的中心频率［8].

图2 单腔谐振频率的仿真

图3 输入输出端口耦合结构

1.3 端口群时延仿真确定了单个金属腔体的大小以及谐振频率以后，要确定输入和输出端口的耦合方式，对于介质滤波器而言，比较常见的两种输入输出方式分别为抽头圆环接地方式与垂直金属杆耦合方式，抽头圆环接地方式适用于带宽较窄的滤波器，虽然调节方便但工艺性差，不利于商业化大规模生产，而垂直金属杆的耦合形式通过一根金属杆与SMA接头相连接，如图3所示，金属杆与TE模介质谐振器的磁场垂直，通过调节金属杆与介质谐振器的距离以及金属杆的长度可以调节输入输出耦合的强弱，金属杆越靠近介质谐振器，长度越长，输入耦合就越强，反之则越弱.

由前文的数据可知端口Q值为66.3，通过公式（1）可以得出端口群时延［9]τd的大小.

式中，f0代表介质谐振器中心频率，Qe代表端口Q值，利用HFSS软件的驱动模式求解出输入输出端口群时延结果如图4所示，从图中可以看出，端口群时延约等于1.62×10-8s，满足了端口输入输出设计要求，此时可以得出金属杆距离介质谐振器的距离以及金属杆的长度.

图4 输入输出端口群时延

图5 双腔耦合模型

1.4 介质滤波器耦合窗口仿真理想的TE模介质谐振器［10]中的电场在垂直方向上为零，磁场在水平方向上为零，并且介质谐振器中约95%的电场能量与60%的磁场能量集中在介质谐振器当中，其他能量则分布在腔体自由空间当中.介质谐振器之间的耦合分为电耦合与磁耦合，两个介质谐振器之间的耦合一般通过窗口来实现，窗口的大小影响着两个腔体之间耦合的强弱，由于介质谐振器中TM模在窗口处的耦合更容易被激励，所以相邻腔体之间的窗口不能够开的太大，介质谐振器之间的耦合通过镀银螺钉来调节，而交叉耦合部分直接通过探针来实现，利用HFSS建立直接耦合双腔模型如图5所示.

在本征模式下采用双模法计算耦合系数的大小，模式数设置为2，模式1与模式2分别用f1与f2来定义，由于耦合系数小于0.1，所以双腔之间的耦合系数计算公式如式（2）所示：

式中，f1和f2分别表示模式一和模式二的谐振频率，得出的耦合系数为k.在软件中设置耦合窗口的宽度为变量W，计算得出腔体间耦合系数如图6所示，从图中可以看出，随着窗口的增大，耦合逐渐增强，这是由于窗口增大以后，两个介质谐振器磁场可以更容易地穿过窗口产生相互耦合作用，而机械加工的过程当中会出现误差，所以在窗口之间需加入耦合螺钉对介质谐振器之间的耦合系数进行微调.

图6 双腔耦合系数仿真结果

2 介质滤波器全腔仿真与结果

通过以上分析确定好滤波器结构参数以后，在HFSS中建立全腔的仿真模型如图7所示，由于整体仿真的时候各个腔体之间会相互影响，故仿真出来的S参数值还不能达到技术指标要求，这个时候还需要对滤波器进行调试［11].首先，对调谐螺钉进行调试，使谐振点尽量落在通带内，然后在对滤波器耦合螺钉进行微调，通过查看HFSS软件中全波S参数仿真结果，直到得出满足要求的滤波器响应.

通过高频结构仿真软件HFSS对滤波器进行反复调试后，得出滤波器全波仿真S参数如图8所示，从图中可以看出，滤波器工作在中心频率2.6GHz，通带带宽为40MHz，插入损耗小于0.2 dB，驻波比小于1.35，带外30MHz左右处的抑制可以达到70 dB，滤波器S参数仿真结果满足技术指标要求.

图7 8阶交叉耦合滤波器结构

图8 多次调试后滤波器S参数图

3 结论

介绍了TE模介质谐振滤波器的快速设计与仿真，设计了一款8阶交叉耦合带通滤波器，通过矩阵变换与综合得出滤波器归一化耦合矩阵以后，计算得出滤波器各个腔体之间的耦合系数以及端口外部品质因素Q，利用高频结构仿真软件HFSS计算出滤波器耦合窗口的大小以及输入输出端口的耦合形式，滤波器全腔S参数仿真与调试结果实现了中心频率2.6GHz，通带带宽40MHz，插入损耗小于0.2 dB，驻波比小于1.35，带外30MHz左右处的抑制达到了70 dB，仿真结果达到了设计要求.另外，文章中也提到了滤波器设计过程中要注意的细节问题，所以该方法在滤波器前期设计当中具有很大的工程应用价值，可为计算机辅助设计介质滤波器提供参考.

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