新型TM模介質(zhì)諧振器及其小型化應(yīng)用

張忠祥， 陳 暢， 吳先良

(1.合肥師范學(xué)院物理與電子工程系，安徽合肥 230601;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系，安徽合肥 230041)

目前，個(gè)人移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)飛速發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)中的濾波器提出了高性能化和小型化的要求。隨著微波介質(zhì)陶瓷材料的性能和穩(wěn)定性的不斷提升，介質(zhì)諧振器在微波系統(tǒng)中已獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，例如濾波器、雙工器和振蕩器等。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，金屬同軸腔濾波器和介質(zhì)濾波器都有廣泛的應(yīng)用，金屬腔同軸諧振器和濾波器具有低成本、頻率可調(diào)節(jié)范圍寬和高次模遠(yuǎn)離主模等特點(diǎn)[1，2]，而介質(zhì)諧振器和濾波器具有高Q值、低損耗和溫度穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[3-5]。

金屬同軸腔諧振器的單腔無(wú)載Q值低于介質(zhì)諧振器的主要原因，在于其內(nèi)部諧振桿在諧振時(shí)其金屬表面需要消耗附加損耗。鑒于橫電模(TE)介質(zhì)諧振器的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，TE模介質(zhì)諧振器的單腔無(wú)載Q值要高于橫磁模(TM)介質(zhì)諧振器和金屬同軸腔諧振器，但是其單腔外形尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述2種諧振器的單腔尺寸，所以TE模介質(zhì)諧振器一般應(yīng)用于對(duì)濾波器性能要求很高而對(duì)外形尺寸沒(méi)有太高要求的場(chǎng)合。對(duì)于傳統(tǒng)的TM模介質(zhì)諧振器，其諧振器的上端面和下端面均金屬化，短接于金屬腔體的底部和上蓋板，由于在腔體的底部與蓋板間強(qiáng)電場(chǎng)的存在，引起金屬表面損耗較大，即使采用的微波介質(zhì)材料本身的損耗非常低，TM模介質(zhì)諧振器的單腔無(wú)載Q值的提升也受到限制[6，7]。

本文給出了一種新型的TM模介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)，只對(duì)其底部進(jìn)行金屬化處理，頂部端面開(kāi)路與腔體的上蓋板間形成一個(gè)空氣間隙。該結(jié)構(gòu)的TM模介質(zhì)諧振器的單腔無(wú)載Q值要高于傳統(tǒng)的TM模介質(zhì)諧振器和金屬同軸腔諧振器;同時(shí)其諧振腔外形尺寸要小于上述2種諧振器的諧振腔外形尺寸，與金屬同軸腔諧振器結(jié)構(gòu)相比，在水平面上可以節(jié)省約30%的產(chǎn)品外形尺寸。本文所提的新型TM模介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)形式，可以對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的金屬同軸腔濾波器和雙工器進(jìn)行完全或者部分的替代。本文最后給出了一個(gè)第3代寬帶碼分多址(WCDMA)通信系統(tǒng)中的8腔3傳輸零點(diǎn)的新型TM模介質(zhì)濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例，其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

1 TM模介質(zhì)諧振器

新型TM模介質(zhì)諧振器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，介質(zhì)諧振器底部安裝在一個(gè)矩形立方體或者圓柱體的諧振腔體內(nèi)，且介質(zhì)諧振器中間有一個(gè)內(nèi)孔，用來(lái)對(duì)諧振頻率進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。介質(zhì)諧振器的外形可以為圓柱、矩形柱，或者橫截面為便于機(jī)加工與模具處理的各種圖形。為了提高諧振器的單腔無(wú)載Q值和減小諧振器的外形尺寸，本文選擇介電常數(shù)為45的微波介質(zhì)陶瓷材料，其材料的Q f=45 000。

圖1 新型TM模介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)和場(chǎng)強(qiáng)分布示意圖

同時(shí)，圖1給出了新型TM介質(zhì)諧振器的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布示意圖。

圖1a為諧振器的磁場(chǎng)分布情況，圖1c為諧振器的電場(chǎng)分布情況。

在圖1中可以看出，其磁場(chǎng)只分布在水平面內(nèi)，環(huán)繞著介質(zhì)諧振器形成一個(gè)封閉的圓環(huán);而電場(chǎng)則垂直于水平面，從上往下形成近似直線的分布。由圖1所示場(chǎng)強(qiáng)分布情況，可以看出該諧振器工作在TM模式，是一種新型TM模介質(zhì)諧振器。

以第3代WCDMA移動(dòng)系統(tǒng)中下行頻帶中心頻率2 140MHz的單腔諧振器為例，表1給出了金屬同軸腔諧振器和新型TM模介質(zhì)諧振器的腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)和諧振頻率與單腔無(wú)載Q值的計(jì)算結(jié)果，由于在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮頻率調(diào)節(jié)部件的影響，所以一般選擇其諧振頻率要高于目標(biāo)頻率。從表1可以看出2種諧振器在其諧振頻率基本一致和單腔無(wú)載Q值不低于金屬同軸腔的前提下，TM模介質(zhì)諧振器的水平面單腔尺寸只有傳統(tǒng)金屬同軸腔外形尺寸的70%左右，可以很好地應(yīng)用于對(duì)腔體外形尺寸有小型化需求的情況。

表1 金屬同軸腔與TM介質(zhì)諧振腔相關(guān)參數(shù)對(duì)比

在基于選擇的介電常數(shù)為45的微波介質(zhì)陶瓷材料的基礎(chǔ)上，圖2給出了表1中所示的TM模介質(zhì)諧振器的單腔測(cè)試曲線，其測(cè)試結(jié)果諧振頻率在2.341 4 GH z，3 dB帶寬為664.843 kH z，通帶損耗S21為-22.015 dB，單腔無(wú)載Q值為3 536，與表1所列的仿真計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖2 TM模介質(zhì)諧振器單腔測(cè)試曲線

2 濾波器小型化應(yīng)用

作為TM模介質(zhì)諧振器的小型化設(shè)計(jì)應(yīng)用，本文給出了一個(gè)WCDMA移動(dòng)系統(tǒng)中工作帶寬為2 110～2 170 MH z的8腔3傳輸零點(diǎn)的廣義切比雪夫模型的帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例。耦合矩陣為(1)式所示[8-10]，矩陣中對(duì)角線上數(shù)值為濾波器相應(yīng)單腔的諧振頻率，非對(duì)角線上數(shù)值為相應(yīng)腔體間的耦合系數(shù)。TM介質(zhì)諧振器的單腔腔體外形尺寸為22 mm×22 mm×20 mm。

為提高TM模介質(zhì)諧振的帶外抑制特性，在TM模介質(zhì)濾波器的輸入腔和輸出腔采用傳統(tǒng)的金屬同軸腔結(jié)構(gòu)，該TM模介質(zhì)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

在圖3中，正耦合系數(shù)分別通過(guò)級(jí)聯(lián)腔體間的窗口和非級(jí)聯(lián)交叉腔體間的蓋板上的短路探針來(lái)實(shí)現(xiàn)，諧振器頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)通過(guò)蓋板上的調(diào)諧螺桿來(lái)進(jìn)行。

圖3 8腔3傳輸零點(diǎn)TM模介質(zhì)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

利用全波電磁場(chǎng)仿真軟件ANSOFT-HFSS，對(duì)圖3所示TM模介質(zhì)濾波器的諧振器尺寸、耦合窗口寬度以及短路探針的長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行初值計(jì)算，利用ANSOFT-HFSS和ANSOFT-Designer相結(jié)合進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化仿真，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)以滿足產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求。

優(yōu)化響應(yīng)曲線如圖4所示，在工作頻帶2 110～2 170MHz，其輸入與輸出端口回波損耗小于-20 dB或者端口駐波比VSWR小于1.2，插入損耗在頻率2 170 MHz處小于-1.35 dB，在頻率2 110 MHz處-0.8 dB，在頻率高于2 190 MH z處帶外抑制大于-90 dB。

圖5所示為新型TM模介質(zhì)濾波器的實(shí)物照片，在保持性能指標(biāo)不變的前提下，其產(chǎn)品的外形尺寸較傳統(tǒng)金屬同軸腔濾波器在水平面上節(jié)省了大約30%，為移動(dòng)通信系統(tǒng)中腔體濾波器的小型化設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

圖4 介質(zhì)濾波器優(yōu)化響應(yīng)曲線

圖5 TM模介質(zhì)濾波器實(shí)物照片

從圖5中可以看出，介質(zhì)諧振器下端安裝在濾波器的腔體底部，輸入和輸出腔體采用了傳統(tǒng)的金屬同軸腔諧振器結(jié)構(gòu)，3個(gè)傳輸零點(diǎn)的位置在2-4腔體、4-6腔體和6-8腔體間分別實(shí)現(xiàn)。

TM模介值濾波器測(cè)試曲線如圖6所示，其通帶2 110～2 170 MH z內(nèi)端口駐波比VSWR小于1.2，插入損耗在頻率2 170 MHz處，小于-1.41 dB，在頻 率 2 110 MHz處小于-0.85 dB，在高于2 190 MH z處帶外抑制大于-90 dB。考慮到接插件的連接損耗，其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合，證明了設(shè)計(jì)方法和模型仿真優(yōu)化的正確性。

圖6 TM模介質(zhì)濾波器測(cè)試曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種新型TM模介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器，該介質(zhì)諧振器下端安裝在濾波器腔體的底部，上端與濾波器的腔體蓋板間有一個(gè)空氣間隙，在更小的腔體內(nèi)以獲得較傳統(tǒng)TM模介質(zhì)諧振器更高的單腔無(wú)載Q值;同時(shí)給出了該結(jié)構(gòu)介質(zhì)諧振器的場(chǎng)強(qiáng)分布圖，以及單腔特性參數(shù)的仿真計(jì)算。最后，本文給出了一個(gè)8腔3傳輸零點(diǎn)的TM模介質(zhì)濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例，外形尺寸較傳統(tǒng)金屬同軸腔濾波器在水平面上節(jié)省約30%。其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，證明了該方法的正確性和可行性，為移動(dòng)通信系統(tǒng)中濾波器的小型化應(yīng)用提供了一種可行的途徑。

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