高带外抑制特性微波陶瓷波导滤波器的设计

梁飞，蒙顺良，吕文中

（华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074）

1 引言

随着5G 通信时代的来临，大规模天线技术和有限的频谱资源对微波器件的尺寸、工作性能等各项指标都提出了更高的要求。通信网络中最关键的基础设施——通信基站，能够实现通信网络与无线终端之间的信号传输。滤波器是保证基站能够正常工作的核心组件，因此高性能滤波器的设计便成为实现5G 应用的关键技术之一[1-2]。在2G、3G、4G时代，金属同轴腔体滤波器在基站中得到广泛应用，但体积质量较大，难以满足5G 基站的小型化、轻量化的要求[3-8]。微波陶瓷波导滤波器拥有小体积、低损耗、温度稳定性好、成本低等独特优势，目前逐渐成为5G 基站用滤波器的主流选择，因此研究具有高带外抑制特性的微波陶瓷波导滤波器具有重要的科学价值与实际应用前景。

负耦合结构的设计是陶瓷波导滤波器能够引入传输零点提高带外抑制的关键。目前，广泛应用的负耦合结构主要是袁本贵[9]提出的负耦合盲孔结构，该结构设计简单，但调试精度较差，且不适用于小耦合量场景。其他典型的负耦合结构还有卜伟等[10]提出的带有金属涂层缺口的阶梯通孔结构以及Du 等[11]提出的微带状负耦合结构，这2 种结构都能够实现负耦合，但都存在部分电磁泄漏问题。利用以上的负耦合结构能够实现容性CQ 耦合单元的设计，为六腔陶瓷波导滤波器引入一对传输零点，但传输曲线的对称性却无法调节，难以同时满足通带外近端和远端高抑制度的要求。为了实现带外抑制度的调整，刘磊等[12]设计了能够产生两对传输零点的八腔陶瓷波导滤波器，这种设计方案可以实现滤波器通带外近端和远端的带外抑制调整，但腔体数量的增加导致滤波器设计难度增加、生产成本提高，而且会增大滤波器通带的插入损耗。谢懿非等[13]提出了另外一种带外抑制调整方法，在负耦合结构的表面引入金属缺口，通过改变缺口的位置实现滤波器的带外抑制调整，这种方法可以实现滤波器传输曲线的对称性调整，但金属缺口的引入会产生电磁泄漏，导致插入损耗也会随之增大。

本文设计了能够形成容性CQ 结构单元的负耦合和正耦合结构，为六腔滤波器引入一对传输零点。在不改变腔体数量、耦合结构、增加插入损耗的条件下，提出了一种能够有效调节传输曲线的对称性，实现滤波器近端和远端带外抑制调整，满足高抑制场景应用需求的解决方案。本文采用耦合通槽分别与深、浅耦合盲孔的组合结构来满足滤波器的正、负耦合带宽要求；通过调整交叉耦合通槽的相对位置偏移量实现传输零点位置微调，改善传输曲线对称性；通过改变交叉耦合通槽的长度调整滤波器的近端、远端带外抑制，实现高带外抑制特性。基于以上的耦合结构和设计思路，本文设计了一款六腔陶瓷波导滤波器，运用HFSS 仿真软件讨论了交叉耦合通槽的相对位置和长度变化对传输零点位置以及滤波器带外抑制特性的影响规律。经过反复优化调整，最终设计出满足性能指标要求的六腔陶瓷波导滤波器，并制备出相应的样品。测试结果表明，样品的测试结果与仿真结果吻合良好。

2 陶瓷波导滤波器设计理论

在设计滤波器时，滤波器可看成由多个谐振腔组成，谐振腔之间的相互耦合形成工作通带。此外，首尾2 个谐振腔与端口之间还存在端口耦合，会影响滤波器的传输特性。

本文将采用基于腔体谐振频率、级间耦合带宽和外部品质因数的设计方法，实现陶瓷波导滤波器的设计。滤波器的腔体谐振频率可通过本征模法计算得到，腔体的级间耦合系数和耦合带宽的计算式分别为

其中，K表示耦合系数，f1和f2分别表示耦合谐振腔的上谐振频率和下谐振频率，CBW 表示耦合带宽[14]。

通常情况下，源、负载与相邻谐振腔之间的耦合量可采用外部品质因数定量表示。外部品质因数是指终端电阻反射到第一个谐振腔得到的Q值，数值大小可通过S11（反射波与入射波的比值）的群时延计算得到。计算式为

其中，τmax为最大群时延，ω0为最大群时延对应的角频率[15]。

为满足滤波器的高带外抑制要求，还需要在带外引入传输零点，通过牺牲远端的带外抑制来提高近端的带外抑制。综合考虑陶瓷波导滤波器的生产工艺和成本要求，本文采用容性CQ 耦合结构来产生传输零点。

本文设计的六腔陶瓷波导滤波器拓扑结构如图1 所示，其中4、5 腔体之间的耦合是电耦合，其余腔体之间的耦合为磁耦合，因此3、4、5、6腔体构成容性CQ 耦合结构单元，为六腔陶瓷波导滤波器引入一对传输零点[16]。

图1 六腔陶瓷波导滤波器的拓扑结构

在实际负耦合结构设计中，滤波器4、5 腔体之间的负耦合结构由耦合通槽与深耦合盲孔组成，其中耦合盲孔的深度需要大于滤波器腔体高度的一半才能够实现负耦合，这种结构的电耦合带宽可通过调节耦合盲孔的深度和耦合通槽的长度进行调整，且调试精度较高，能够满足实际生产需求，结构如图2 所示。

图2 六腔陶瓷波导滤波器的负耦合结构

3 六腔陶瓷波导滤波器的设计

采用图1 所示拓扑结构的陶瓷波导滤波器，其技术指标来源于国内某大型通信技术公司提出的5G 基站用陶瓷滤波器的技术要求，具体如下。

工作通带：3.4～3.6 GHz（f0=3.5 GHz，BW=200 MHz）。

带内插损≤1.2 dB，回波损耗≥16 dB。

阻带抑制：3.2～3.3 GHz 和3.7～3.8 GHz 频段的抑制≥51 dB，3.3～3.35 GHz 和3.65～3.7 GHz频段的抑制≥25 dB。

本文设计的六腔陶瓷波导滤波器的模型整体尺寸为31 mm×17 mm×6 mm，陶瓷材料的相对介电常数为23.1。在滤波器的结构设计中，各谐振腔都设有调谐盲孔用以调节腔体的谐振频率，腔体之间还设有耦合结构实现能量的耦合与信号的传输。其中4、5腔体之间是负耦合结构，其余腔体之间是正耦合结构；大部分腔体的正耦合结构都是采用耦合通槽实现，但考虑到滤波器的级间耦合带宽要求，5、6 腔体之间的正耦合结构选用浅耦合盲孔与耦合通槽的组合，此时，浅耦合盲孔的深度需要小于滤波器腔体高度的1/3 才能够实现正耦合，从而实现容性CQ 耦合结构的设计。滤波器还设有输入输出端口，实现信号的输入与输出。根据滤波器的技术要求和拓扑结构，本文利用滤波器设计软件确定六腔陶瓷波导滤波器理论模型的相关参数，如表1 所示，其中，Freq 表示腔体谐振频率，CBWnm表示腔体的级间耦合带宽，数字下标表示腔体，Qex 表示外部品质因数。

表1 陶瓷波导滤波器理论模型的相关参数

参照理论模型的相关参数，本文首先在HFSS软件中建立单腔陶瓷波导谐振器模型，采用本征模法计算单腔谐振频率，确定调谐盲孔深度；然后在此基础上建立六腔陶瓷波导滤波器的耦合结构模型，利用Y 矩阵法计算谐振器之间的耦合带宽，确定各个耦合结构参数；最后建立滤波器的馈电结构模型，利用群时延法计算外部品质因数，确定馈电结构参数。计算结果表明，滤波器的腔体谐振频率随着调谐盲孔深度的增加而减小，计算结果如图3 所示；滤波器的磁耦合带宽随着耦合通槽长度的增加而减小，计算结果如图4 所示；在负耦合结构中，当耦合盲孔的深度大于滤波器腔体高度1/2 时，耦合结构的电耦合带宽随着耦合盲孔深度的增加而增加，计算结果如图5 所示；在5、6 腔体之间的正耦合结构中，当耦合盲孔的深度不大于滤波器腔体高度的1/3 时，磁耦合带宽随着耦合盲孔深度的增加而增大，计算结果如图6 所示；外部品质因数与馈电深度的关系如图7所示，根据计算结果可以确定端口的尺寸。

图3 腔体谐振频率与调谐盲孔深度的关系曲线

图4 磁耦合带宽与耦合通槽长度的关系曲线

图5 电耦合带宽与耦合盲孔深度的关系曲线

图6 磁耦合带宽与耦合盲孔深度的关系曲线

图7 外部品质因数与端口尺寸关系曲线

根据以上计算方法确定滤波器的结构参数初值，可以得到滤波器的滤波曲线，不过与理想滤波曲线相差较大，还需对滤波器各结构参数进一步优化。本文采用参数提取法来优化滤波器的结构参数，实现最佳的滤波特性。在参数提取优化过程中，本文首先确定了仿真模型的腔体谐振频率、耦合带宽等参数与理论模型参数之间的误差分布，并根据该误差分布不断优化滤波器的调谐盲孔、耦合结构等结构参数，缩小仿真模型与理论模型之间的参数误差，最终实现仿真模型的滤波特性曲线与理论模型一致。滤波器的结构如图8～图10 所示。表2 为结构参数优化后滤波器的物理尺寸。

图8 六腔陶瓷波导滤波器的立体结构

图9 六腔陶瓷波导滤波器的俯视图

图10 六腔陶瓷波导滤波器的主视图

4 六腔陶瓷波导滤波器的仿真优化

六腔陶瓷波导滤波器结构参数优化后的传输特性曲线如图11 所示。其结构参数优化过程与第3 节所述相同。

仿真结果表明，滤波器的传输特性已经接近目标要求，但带外抑制特性还存在一定差距。从传输曲线可以看出，通带外两侧的曲线呈现明显的不对称现象。理论上，CQ 结构的传输曲线是对称的。但是滤波器的工作带宽较宽，耦合结构的实际耦合量随频率变化较明显，导致陶瓷波导滤波器的传输曲线呈现明显的不对称现象。为了改善传输曲线的对称性，本文仿真了交叉耦合通槽相对位置的偏移量对滤波器的传输特性产生的影响。

表2 六腔陶瓷波导滤波器的结构参数

图11 六腔陶瓷波导滤波器结构参数优化后的传输特性曲线

通过多次仿真分析与结构参数优化调整可以发现，在调整交叉耦合通槽的长度满足耦合带宽不变的前提下，改变交叉耦合通槽的相对位置会引起通带外传输零点位置的偏移，且两侧的传输零点位置偏移规律一致。当交叉耦合通槽相对中间位置左移时，传输零点位置向低频处偏移；当交叉耦合通槽相对中间位置右移时，传输零点位置向高频处偏移。传输零点位置的偏移对滤波器通带外近端的带外抑制特性影响较小，却会显著影响通带外远端的带外抑制特性。传输零点位置左移，低频处远端的带外抑制增强，但高频处的远端带外抑制减弱；传输零点位置右移，低频处远端的带外抑制减弱，高频处的远端带外抑制增强。图12 中给出了交叉耦合通槽位于中间位置、交叉耦合通槽相对中间位置向右偏移0.5 mm、交叉耦合通槽位于最右端与另外耦合通槽相连、交叉耦合通槽相对中间位置向左偏移0.5 mm 以及交叉耦合通槽位于最左端与另外耦合通槽相连时滤波器仿真模型的|S21|曲线。

图12 交叉耦合通槽相对位置偏移后的传输曲线

为了更清楚地表示不改变交叉耦合量的前提下，调整交叉耦合通槽的相对位置对传输零点位置以及滤波器带外抑制特性产生的影响，本文对交叉耦合通槽位于不同位置下滤波器仿真模型的传输零点位置、通带外近端和远端的带外抑制都进行了定量表示，相关参数指标如表3 所示。其中，低频处的远端频段范围为3.2～3.28 GHz，低频处的近端频段范围为3.28～3.35 GHz，高频处的近端频段范围为3.65～3.72 GHz，高频处的远端频段范围为3.72～3.8 GHz。

在不改变交叉耦合量的条件下，调整交叉耦合通槽的相对位置能够有效改善传输曲线的对称性，提高滤波器的远端带外抑制特性。根据偏移规律可以进一步仿真确定，当交叉耦合通槽相对中间位置向右偏移0.25 mm 时，滤波器的对称性最佳，远端处的带外抑制可接近58 dB。为了进一步提高滤波器近端的带外抑制，本文还对交叉耦合通槽的长度对滤波器传输特性产生的影响进行仿真分析。

表3 交叉耦合通槽位于不同位置下的相关参数指标

仿真结果表明，当交叉耦合通槽的长度发生变化，交叉耦合量也会随之变化且滤波器通带外近端和远端的带外抑制都会发生显著变化。当耦合通槽的长度变长，交叉耦合量减小，通带外两侧的传输零点位置远离中心频率，滤波器远端带外抑制增强，但近端的带外抑制减弱；当耦合通槽的长度变短，交叉耦合量增加，传输零点位置靠近中心频率，滤波器远端的带外抑制减弱，近端的带外抑制增强。交叉耦合通槽的长度变化对滤波器的传输特性影响如图13 所示。

图13 交叉耦合通槽的长度变化对滤波器的传输特性影响

本文同样定量表示交叉耦合通槽的长度变化对传输零点位置以及滤波器的带外抑制影响，并标记了不同长度的交叉耦合通槽滤波器仿真模型的传输零点位置、通带近端和远端的带外抑制，相关参数指标如表4 所示。其中，低频处的远端范围为3.2～3.28 GHz，低频处的近端范围为3.28～3.35 GHz，高频处的近端范围为3.65～3.72 GHz，高频处的远端范围为3.72～3.8 GHz。

根据仿真分析得到的规律，可以在保证远端带外抑制满足技术指标的前提下，调整交叉耦合通槽的长度，进一步提高滤波器的近端带外抑制。六腔陶瓷波导滤波器最终仿真模型的交叉耦合通槽长度为2.67 mm。

5 六腔陶瓷波导滤波器测试结果

根据仿真模型结构参数，可以制备得到六腔陶瓷波导滤波器样品。滤波器样品的材料相对介电常数为23.1，整体尺寸为31 mm×17 mm×6 mm。使用安捷伦矢量网络分析仪E5071C 对陶瓷波导滤波器样品进行性能测试，仿真与测试结果如图14所示。在样品测试中，滤波器的中心频率为3.5 GHz，工作通带为3.4～3.6 GHz，插入损耗≤ 1.2 dB，回波损耗≥17 dB；3.2～3.3 GHz 和3.7～3.8 GHz的阻带抑制≥51 dB，3.3～3.35 GHz 和3.65～3.7 GHz的阻带抑制≥25 dB，各项性能指标均满足预期目标要求。

图14 六腔陶瓷波导滤波器的传输特性仿真与测试曲线

表4 不同交叉耦合通槽长度的相关参数指标

表5 六腔陶瓷波导滤波器与目前基站滤波器之间的性能比较

对比仿真结果与实物测试结果发现，二者之间吻合性良好，验证了设计方案的正确性和可行性。但在通带的回波损耗、传输零点位置以及带外抑制等方面，二者仍存在一定偏差，这主要是由仿真模型的理论计算误差、陶瓷制备过程尺寸控制精度以及在滤波器性能调试阶段对银层的刻蚀这3 个方面所引起的。在HFSS 仿真模型中，陶瓷材料和边界条件都是理想状态，但实际陶瓷材料的微波介电性能和银层的电导率达不到理想状态；此外，陶瓷波导滤波器的结构参数尺寸精度要求较高，但实际生产加工精度距离目标要求存在一定差距；最后，在陶瓷滤波器性能测试和调试阶段，需要对陶瓷表面银层进行部分刻蚀以实现滤波曲线的最优化，这也会产生一定误差。

表5对比了本文设计的六腔陶瓷波导滤波器与目前基站滤波器之间的性能差异。从表5 对比中可以看出，本文的陶瓷波导滤波器具有小体积、低损耗和高带外抑制特性等独特优势，能够满足5G 基站滤波器的轻量化、高性能等要求，具有良好的应用前景。

6 结束语

本文从理论上介绍了陶瓷波导滤波器的设计理论和相关耦合结构，在此基础上设计并制备了一款六腔陶瓷波导滤波器。通过引入耦合通槽分别与浅、深耦合盲孔的组合结构，形成容性CQ耦合单元，从而产生一对传输零点，提高了滤波器的带外抑制。通过调整交叉耦合通槽的相对位置偏移量，可以有效改善传输曲线的对称性，提高滤波器的远端带外抑制特性；同时，调整交叉耦合通槽的长度可以显著影响传输零点的位置，实现通带近端和远端的带外抑制调整。样品的测试结果也进一步验证了设计方案的正确性与可行性，以及六腔陶瓷波导滤波器的优异性能。本文设计的六腔陶瓷波导滤波器结构简单、体积小、性能优异，能够满足5G 基站滤波器的性能要求，拥有良好的应用前景。