5G 頻段單腔多模濾波器的設(shè)計(jì)與仿真*

羅 兵劉建圻

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院，廣東廣州 510515；2.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510520)

射頻濾波器一直是無(wú)線通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它能起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。因此，射頻濾波器一直是無(wú)線通信系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-12]。但隨著無(wú)線通信的發(fā)展，對(duì)濾波器的體積要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的單模濾波器尺寸大，性能差，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高集成度，濾波器的體積要求將越來(lái)越小，毫無(wú)疑問(wèn)，多模濾波器利用諧振器中對(duì)于不同的場(chǎng)分布有無(wú)窮多個(gè)諧振模式和諧振頻率，其中具有相同諧振頻率的模式稱為簡(jiǎn)并模[2-3]。如果在單個(gè)諧振器中加入一些微擾(比如開(kāi)槽、切角或加入小的貼片、內(nèi)切角等)，會(huì)改變?cè)缓?jiǎn)并模的電場(chǎng)分布，使得一對(duì)正交簡(jiǎn)并模之間發(fā)生耦合，2 個(gè)耦合簡(jiǎn)并模的作用相當(dāng)于2 個(gè)耦合諧振器，從而在保持諧振回路不變的情況下，使諧振器的個(gè)數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)減少，例如，可以利用一個(gè)諧振器的3 個(gè)模式在一個(gè)傳統(tǒng)的n節(jié)濾波器的物理空間實(shí)現(xiàn)3n節(jié)濾波器的特性，從而大大減小了濾波器的體積。因此，研究多模濾波器變得及其重要。

中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部(簡(jiǎn)稱工信部)已正式發(fā)布關(guān)于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)使用3 300 MHz～3 600 MHz 和4 800 MHz～5 000 MHz 頻段相關(guān)事宜的通知(工信部[2017]276 號(hào))，第5 代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究已得到了政府的政策支持，并在2019 年6 月6 日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電發(fā)放5G 商用牌照，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G 商用元年?；谀壳暗?G 標(biāo)準(zhǔn)，腔體濾波器作為移動(dòng)通訊基站必不可少的一部分必須進(jìn)行改進(jìn)，因此設(shè)計(jì)適用的腔體濾波器是必要的。然而，傳統(tǒng)的單模濾波器體積較大，因此，文章采用一種多模結(jié)構(gòu)的諧振器，并用此諧振器設(shè)計(jì)一種5G 頻段多模腔體濾波器。

1 多模諧振器的設(shè)計(jì)原理

在一個(gè)諧振腔中可能存在多個(gè)諧振模式，可以利用一個(gè)腔內(nèi)的多個(gè)諧振模式，設(shè)計(jì)諧振頻率相同的多模耦合電路，一個(gè)諧振腔可以代替多個(gè)腔使用，因此，可以起到縮小濾波器的整體尺寸、減輕重量的作用。關(guān)于雙重及多重簡(jiǎn)并濾波器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵延写罅康难芯浚@得了一定的濾波特性[3-4]。大多數(shù)文獻(xiàn)中所采用的是圓柱形、球面、正三角形諧振腔。而圓柱形、球形和正三角形諧振腔都具有加工難度大且不易調(diào)諧等缺點(diǎn)，而矩形諧振腔容易加工，本文所采用的諧振腔為矩形諧振腔。如圖1 所示的諧振腔，其長(zhǎng)為a，寬為l，高位b，諧振腔諧振波長(zhǎng)為[5]:

通過(guò)λ0＝可以求出諧振腔的諧振頻率。由式(1)也可以看出，當(dāng)m，n，l取值不同時(shí)，可以得到相同的諧振頻率，也就是常說(shuō)的簡(jiǎn)并模式。

在圖1 的矩形諧振腔中，如果填充的是介質(zhì)，則

式中:μr、εr分別為填充介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，顯然，通過(guò)填充介質(zhì)的方式，可以獲得更小的諧振器體積。

圖1 矩形諧振腔結(jié)構(gòu)

2 單腔多模濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

所設(shè)計(jì)的多模濾波器的中心頻率工作在3.45 GHz，帶寬為300 MHz，插入損耗:＜1.2 dB＠(3.3 GHz～3.6 GHz)，帶內(nèi)波動(dòng):≤0.8 dB，駐波比(VSWR):≤1.3，輸入輸出阻抗:50 Ω。利用濾波器綜合軟件可得到濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，輸入輸出與3 個(gè)諧振模式間的耦合系數(shù)矩陣如表1 所示，基本響應(yīng)曲線如圖3 所示。

圖2 濾波器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 輸入輸出與三個(gè)諧振模式間的耦合系數(shù)矩陣

圖3 濾波器基本響應(yīng)曲線

多模濾波器的設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)是端口耦合的設(shè)計(jì)和各模式之間的耦合設(shè)計(jì)。

2.1 諧振器與諧振頻率的設(shè)計(jì)

實(shí)際諧振器設(shè)計(jì)中，選取一種磁導(dǎo)率μ＝1，介電常數(shù)εr＝8.7 的介質(zhì)填充矩形腔體，矩形腔體的長(zhǎng)、寬、高分別為20 mm、20 mm、20 mm，根據(jù)公式，可計(jì)算出3 個(gè)諧振模式TE101、TE011、TM110 的諧振頻率均為3.595 GHz。利用三維電磁場(chǎng)仿真工具HFSS建立仿真模型如圖4 所示，通過(guò)本征模仿真分析，可以得到各模式仿真的諧振頻率和各模式的場(chǎng)分布圖，其中，諧振頻率分別為3.593 7 GHz、3.593 9 GHz、3.593 6 GHz，顯然，理論計(jì)算值與電磁場(chǎng)仿真誤差小于0.038%，改變諧振器的尺寸可以改變諧振頻率的大小。

圖4 諧振器三維仿真模型圖

圖5～圖7 分別是仿真得到的前3 個(gè)模式TE101、TE011、TM110 的電場(chǎng)圖，由仿真的各模式電場(chǎng)圖可以看到電場(chǎng)在矩形介質(zhì)腔體的的中間位置最強(qiáng)，因此，可以在矩形介質(zhì)腔體的中間位置插入螺釘?shù)姆绞礁蓴_場(chǎng)模式，使得各個(gè)模式之間產(chǎn)生耦合，通過(guò)控制插入螺釘?shù)陌霃胶蜕疃?，可以控制耦合的?qiáng)弱。

圖5 TE101 模式的電場(chǎng)圖

圖6 TE011 模式的電場(chǎng)圖

圖7 TM110 模式的電場(chǎng)圖

2.2 端口耦合的設(shè)計(jì)

端口耦合指輸入端與第一個(gè)諧振器的耦合，輸出端與最后一個(gè)諧振器的耦合。把三模濾波器看成一個(gè)三階濾波器，一個(gè)模式就對(duì)應(yīng)一個(gè)諧振器，端口耦合就是輸入、輸出端口分別與TE101 模式和TM110模式的耦合，端口耦合的強(qiáng)弱可以用有載Q值來(lái)表示，即輸入、輸出端口的位置一般是通過(guò)有載Q值來(lái)確定，且為反比。有載Q值與耦合系數(shù)的關(guān)系為:

端口耦合采用常見(jiàn)的便于制造和加工的SMA 端口，將SMA 連接器焊接在多模諧振器上作為輸入輸出端口，SMA 的內(nèi)導(dǎo)體探針伸入矩形介質(zhì)腔中作為激勵(lì)，如圖8 所示。根據(jù)圖5～圖7 的各模式電場(chǎng)方向圖可知，在矩形介質(zhì)的任意一面的中心位置安放SMA 連接器，SMA 的內(nèi)導(dǎo)體探針都會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)模式電場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域，和相對(duì)應(yīng)的諧振模式產(chǎn)生電耦合。耦合強(qiáng)弱與內(nèi)導(dǎo)體探針伸入介質(zhì)的深度成正比。但是，SMA 的內(nèi)導(dǎo)體探針的長(zhǎng)度(S的大小)也會(huì)影響到諧振器的Q值，如圖9 所示，插入過(guò)深會(huì)使得Q值急劇下降，因此，綜合考慮，探針深度取5 mm。

圖8 內(nèi)導(dǎo)體探針伸入腔體位置圖

圖9 SMA 內(nèi)導(dǎo)體探針長(zhǎng)度(S)與Q 值的關(guān)系

2.3 模式間的耦合與調(diào)諧設(shè)計(jì)

耦合系數(shù)的計(jì)算可以根據(jù)公式

進(jìn)行估算，其中，k表示2 個(gè)諧振器間的耦合系數(shù)，f1表示第1 個(gè)諧振器的諧振頻率，f2表示第2 個(gè)諧振器的諧振頻率。

正如圖5～圖7 所展示的各模式電場(chǎng)圖分布情況，在如圖10 所示的矩形介質(zhì)腔體的3 個(gè)面上插入螺釘?shù)姆绞?，可以改變?chǎng)的分布情況，并使得模式之間產(chǎn)生相互耦合，耦合的強(qiáng)弱與螺釘?shù)陌霃胶筒迦肼葆數(shù)纳疃扔嘘P(guān)，在固定螺釘半徑不變的情況下，圖11所示是螺釘1 的長(zhǎng)度與耦合強(qiáng)度的關(guān)系，圖12 所示是螺釘2 的長(zhǎng)度與耦合強(qiáng)度的關(guān)系，圖13 所示是螺釘3 的長(zhǎng)度與耦合強(qiáng)度的關(guān)系。

圖10 微擾耦合螺釘?shù)奈恢脠D

圖11 螺釘1 的長(zhǎng)度與耦合系數(shù)的關(guān)系

圖12 螺釘2 的長(zhǎng)度與耦合系數(shù)的關(guān)系

圖13 螺釘3 的長(zhǎng)度與耦合系數(shù)的關(guān)系

3 單腔多模濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)端口耦合及各模式之間耦合系數(shù)的關(guān)系，最終建立的單腔多模濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 單腔多模濾波器的初始尺寸與優(yōu)化尺寸 單位:mm

使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件精確仿真后，可得到所設(shè)計(jì)濾波器的回波損耗＞20 dB，插入損耗＜0.2 dB，通帶右側(cè)引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，如圖14 所示，駐波比＜1.23，如圖15 所示。

圖14 仿真濾波器的回波損耗與插入損耗

圖15 螺釘1 的長(zhǎng)度(h1)對(duì)回波損耗的影響

4 影響濾波器的關(guān)鍵參數(shù)仿真

所設(shè)計(jì)的多模濾波器經(jīng)過(guò)大量的仿真分析和計(jì)算后，對(duì)影響多模濾波器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，主要分析了圖10 中的螺釘1，螺釘2，螺釘3，以及輸入輸出的位置，在固定螺釘1 的半徑為2 mm 時(shí)，螺釘1 的長(zhǎng)度(h1)對(duì)多模濾波器回波損耗的影響如圖15所示。在固定螺釘2 的半徑為2 mm 時(shí)，螺釘2 的長(zhǎng)度(h2)對(duì)多模濾波器回波損耗的影響如圖16 所示。螺釘3 的長(zhǎng)度對(duì)多模濾波器的影響與螺釘1 的相似。

圖16 螺釘2 的長(zhǎng)度(h2)對(duì)回波損耗的影響

5 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析討論

所設(shè)計(jì)的多模濾波器經(jīng)過(guò)加工后的實(shí)物圖如圖17 所示，使用E5071C 網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了實(shí)物指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如圖18 所示，結(jié)果顯示:在3.3 GHz～3.6 GHz 頻段范圍內(nèi)，插入損耗＜1.1 dB，回波損耗＞15.8 dB，與仿真相比，插入損耗有所增大，回波損耗變小，但在左右側(cè)都出現(xiàn)了傳輸零點(diǎn)，使得抑制性能更好。誤差原因主要是因?yàn)槎嗄Ｇ惑w濾波器容易受到外界干擾，而且從仿真也可以看出關(guān)鍵參數(shù)的變化還會(huì)引起性能的急劇變化，因此，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)要調(diào)好后，固定好螺釘，不能因?yàn)橥饨绲母蓴_而引起濾波器性能的惡化。

圖17 濾波器實(shí)物圖

圖18 實(shí)測(cè)濾波器回波損耗與插入損耗

文章介紹了單腔多模濾波器的設(shè)計(jì)方法，利用單腔諧振器中對(duì)于不同的場(chǎng)分布有無(wú)窮多個(gè)諧振模式和諧振頻率，在單個(gè)諧振器中加入一些微擾(比如開(kāi)槽、切角或加入小的貼片、內(nèi)切角等)，加入調(diào)諧螺釘?shù)姆绞礁淖冊(cè)缓?jiǎn)并模的電場(chǎng)分布，使得正交簡(jiǎn)并模之間發(fā)生耦合，2 個(gè)耦合簡(jiǎn)并模的作用相當(dāng)于2 個(gè)耦合諧振器，從而在保持諧振回路不變的情況下，使諧振器的個(gè)數(shù)減少了一半，從而大大減小了濾波器的體積。文章分析了TE101，TE011，TM110 3 個(gè)模式的電場(chǎng)模式，并在對(duì)應(yīng)電場(chǎng)較強(qiáng)的位置插入螺釘?shù)姆绞接绊憟?chǎng)分布，使得模式之間發(fā)生耦合，控制螺釘?shù)拇笮〖安迦肷疃瓤梢钥刂岂詈系膹?qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的參數(shù)指標(biāo)。最后綜合分析了各個(gè)調(diào)諧螺釘長(zhǎng)度對(duì)濾波器綜合性能的影響，結(jié)果表明，在3 顆螺釘一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，螺釘長(zhǎng)度對(duì)濾波器的影響是線性可控的，但從濾波器的關(guān)鍵參數(shù)仿真分析來(lái)看，顯然有的參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致濾波器性能的突變，這在一定程度上增大了加工的難度，因此要確保加工的工藝，并要留有一定的調(diào)諧空間。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的要求也越來(lái)越高，因此，移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)過(guò)了2G，3G，4G技術(shù)的發(fā)展后，5G 技術(shù)隨之而來(lái)，作為無(wú)論哪一代移動(dòng)通信技術(shù)都離不開(kāi)的濾波器，在無(wú)線通信頻率資源越來(lái)越緊張的5G 時(shí)代，必將要求越高，需求越多，而且在系統(tǒng)化、節(jié)約化的當(dāng)今時(shí)代，濾波器的小型化必然是其發(fā)展趨勢(shì)。因此，文章利用單腔諧振器中存在的多個(gè)諧振模式，實(shí)現(xiàn)單腔多模濾波器，完成了單腔多模濾波器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了濾波器的體積小型化，設(shè)計(jì)結(jié)果指標(biāo)在通帶內(nèi):插入損耗＜1.1 dB，回波損耗＞15.8 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。但由于模式間的耦合比較復(fù)雜，有時(shí)微擾對(duì)模式的耦合不是線性的，而且微擾不僅僅對(duì)某個(gè)模式有影響，對(duì)其他模式也有影響，如何控制微擾對(duì)各模式之間的影響是多模濾波器的研究難點(diǎn)。本研究可以作為多模濾波器研究的參考，對(duì)運(yùn)用于5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)腔體多模濾波器設(shè)計(jì)提供一定的思路和參考價(jià)值。