基于5G網(wǎng)絡(luò)頻段雙模介質(zhì)腔體濾波器仿真設(shè)計

任思齊，王今朝，江娟，甘霖，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

隨著5G通訊技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源日益緊張，電子設(shè)備小型化成為一個重要問題，這對濾波器的性能要求也越來越高[1-3].基站用濾波器作為無線通訊系統(tǒng)中一個重要器件，具有高Q值、高穩(wěn)定性、低損耗、小型化等優(yōu)點[4].本文中利用一對HEH11簡并模式，設(shè)計適用于5G頻段的雙模介質(zhì)濾波器，它比傳統(tǒng)的單模介質(zhì)濾波器的尺寸減小至少一半，性能更優(yōu)越.結(jié)合現(xiàn)代濾波器設(shè)計理論，通過電磁仿真軟件對諧振器、腔體和端口進行仿真，設(shè)計一款中心頻率為3.5 GHz，帶寬為70 MHz的高性能雙模介質(zhì)濾波器.

1 單腔介質(zhì)諧振器參數(shù)確定

1.1 介質(zhì)諧振器的模式介質(zhì)諧振器的模式可以分為TEE、THE、TME、HEE和HEH幾類.第三個字母是區(qū)分沿著以諧振器方向一半高度平面對稱的奇模式和偶模式.其中“E”表示電壁對稱，“H”表示磁壁對稱[5].運用HFSS電磁仿真軟件可以模擬出這些模式的場分布圖.TEE、THE是單模式，HEE和HEH是混合雙模式.利用混合雙模式設(shè)計雙模介質(zhì)濾波器，可以使濾波器結(jié)構(gòu)在數(shù)量上減少一半，達到濾波器的低損耗、高抑制和小型化，對研發(fā)高性能基站系統(tǒng)具有重要意義.

1.2 單腔介質(zhì)諧振器的模式分析

1.2.1 空氣腔邊長對模式的影響分析 本文中研究的介質(zhì)濾波器腔體立方結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.腔體的長、寬和高分別為a，b和c，一般選定為30 mm左右，故將原始尺寸設(shè)定為a×b×c=28 mm×28 mm×30 mm.

圖1 腔體立方結(jié)構(gòu)圖

圖2為諧振器頻率隨介電常數(shù)[6]變化曲線圖，利用電磁仿真軟件HFSS對諧振器頻率進行本征模求解.從圖2中可以看出，隨著諧振器介電常數(shù)的增加，前4個模式TE01δ、HEH11兩個簡并模以及TM模的諧振頻率會隨之減小.其中模式2(f2)和模式3(f3)是本文中所設(shè)計的雙模濾波器的一對簡并模，它們的頻率大小相等，極化方向呈90°.其電場分布如圖3所示.

圖2 諧振頻率隨介電常數(shù)變化曲線

圖3 HEH11模

諧振器的介電常數(shù)確定為24，將諧振器直徑Dr設(shè)定為23 mm，諧振器的高度hl設(shè)定為9 mm，諧振器距離腔體地面高度hk為11 mm，腔體高度為30 mm，底面邊長a設(shè)為變量，利用電磁仿真軟件HFSS對諧振器頻率進行本征模仿真.

從圖4可以看出，圓柱介質(zhì)諧振器的最低模(即主模)TE01δ模隨著底面邊長的增大而減小，模式2和模式3是一對HEH11簡并模，模式4和模式5是一對更高次簡并模，且隨著底面邊長的增大，模式2和模式3也有增大的趨勢.主模對應(yīng)TE01δ模，第一高次模和第二高次模對應(yīng)HEH11模.

圖4 腔體前8個模式的諧振頻率隨底面邊長的變化曲線

1.2.2 圓柱介質(zhì)高度對模式的影響分析 圖5所示為諧振頻率隨介質(zhì)高度變化曲線，固定Dr為23 mm，取a×b×c=28 mm × 28 mm ×30 mm，對其進行本征模仿真.可以發(fā)現(xiàn)改變介質(zhì)諧振器[7]的高度對諧振頻率影響很大，隨著介質(zhì)高度的增加，前4個模式的諧振頻率均呈下降趨勢.模式2和模式3是HEH11的一對簡并模.

圖5 諧振頻率隨介質(zhì)高度變化曲線

1.2.3 圓柱介質(zhì)底面高度對模式的影響分析 將腔體底面邊長a固定為28 mm，圓形介質(zhì)高度固定為8 mm.圖6為諧振頻率隨介質(zhì)底面高度變化曲線，從圖6中可以看出底面高度對模式2、模式3和模式4的影響不大，當(dāng)圓柱介質(zhì)高度距離底面高度hk在9～11 mm之間時，主模的頻率最小.為了確保在引入腔內(nèi)擾動時，模式2和模式3能夠很好地分離，故選hk為10 mm.

圖6 諧振頻率隨介質(zhì)底面高度的變化曲線

1.2.4 腔體高度對模式的影響分析 圖7為諧振頻率隨腔體高度變化曲線，固定腔體底面邊長a為28 mm，圓形介質(zhì)高度hl為8 mm，介質(zhì)底面高度hk為10 mm,設(shè)空氣腔高度c為變量，利用電磁仿真軟件HFSS對介質(zhì)諧振器的諧振頻率進行求解.從圖7中可以看出，求解的前4個模式中，模式1和模式4的諧振頻率隨腔體高度變化不明顯，模式2和模式3是一對簡并模，它們的頻率隨著腔體高度的增加而減小.最后確定腔體高度c為30 mm.

圖7 諧振頻率隨腔體高度變化曲線

2 雙模介質(zhì)濾波器設(shè)計實例

2.1 設(shè)計指標(biāo)本文中雙模介質(zhì)濾波器[8]設(shè)計指標(biāo)為：中心頻率范圍為3.4～3.6 GHz；通帶帶寬60～80 MHz;通帶插入損耗|S21| ≤ 1 dB；通帶回波損耗|S11| ≥ 20 dB；帶外抑制|S21| > 30 dB@f0±70 MHz.

2.2 螺釘耦合選定HEH11簡并模.為了使兩個簡并模發(fā)生分離，在諧振器電場斜45°位置上方插入螺釘，如圖8所示.設(shè)該螺釘?shù)母叨葹長，半徑為rl，距離諧振器中心的距離為delta.

圖8 螺釘耦合結(jié)構(gòu)圖

取螺釘?shù)陌霃絩l為1.5 mm，螺釘高度L為8 mm.設(shè)delta為變量，對諧振器的諧振頻率進行仿真，如圖9(a)所示.從圖9(a)可以看出，隨著delta增大，兩個簡并模式分離越大.

圖9(b)為螺釘高度L為8 mm，螺釘距離諧振器中心距離delta為9 mm時，設(shè)螺釘半徑rl為變量時，諧振頻率隨rl變化曲線.

通過對圖9(a)和圖9(b)的分析發(fā)現(xiàn)，為了使兩個簡并模更好地分離，取delta為9 mm，rl為1.5 mm.

圖9 諧振頻率隨螺釘尺寸變化曲線

圖10為腔體前4個模式隨螺釘高度增大的變化曲線及簡并模隨螺釘高度增大的分離曲線.從圖10(a)中可以看出當(dāng)螺釘高度小于6 mm時，簡并?；緵]有分離，隨著螺釘高度增大，簡并模發(fā)生分離，模式2和模式3隨螺釘高度增大發(fā)生明顯分離，詳細分離曲線見圖10(b),而模式1和模式4隨螺釘高度增大的變化很小，可見螺釘高度增大對簡并模影響較大.

圖10 簡并模隨螺釘高度增大的分離曲線

2.3 耦合系數(shù)耦合系數(shù)是衡量耦合強弱的指標(biāo)，本文中通過在簡并模電場斜45o位置插入螺釘進行耦合.圖11為耦合系數(shù)隨螺釘高度變化的曲線，可以看出隨螺釘高度的增大，兩個簡并模之間的耦合強度增大，通過調(diào)節(jié)螺釘高度可以改變兩個模式之間的耦合.

圖11 耦合系數(shù)隨螺釘高度增大的變化曲線

2.4 端口群時延端口群時延的調(diào)試是濾波器設(shè)計中很重要的一步，可以理解為端口與諧振器之間的耦合，圖12(a)為端口結(jié)構(gòu)圖.根據(jù)文獻[9]可以得出端口群時延的公式：

(1)

式(1)中Tg表示群時延，Qe為外部Q值，f0為中心頻率.通過Couple-fil代入?yún)?shù)得出群時延值為8.487 34 ns，如圖12(b)所示.

圖12 端口結(jié)構(gòu)圖及端口群時延仿真圖

2.5 全腔模擬圖13(a)為二階濾波器單腔結(jié)構(gòu)圖，輸入輸出端口均采用50 Ω同軸線，其仿真結(jié)果如圖13(b)所示.當(dāng)L=11.39 mm時，濾波器的中心頻率為3.45 GHz，回波損耗|S11| ≥ 20 dB，插入損耗|S21| ≤ 1 dB滿足要求，從S11的頻率曲線可以發(fā)現(xiàn)明顯的雙模特性[10].在圖14(a)和圖14(b)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L=5.5 mm時，模式分離不夠，耦合過小，不能產(chǎn)生雙模.當(dāng)L=11.5 mm時，雙模分離過大，頻率響應(yīng)變差，帶內(nèi)插損變大，所以螺釘?shù)母叨仍斐蔀V波器模式的分離，對濾波器的性能有很大的影響.

圖13 二階濾波器單腔結(jié)構(gòu)圖及其全腔仿真S曲線

圖14 L=5.5 mm和L=11.5 mm時的仿真S曲線

3 結(jié)論

本文中論述5G網(wǎng)絡(luò)頻段雙模介質(zhì)濾波器設(shè)計的詳細過程，利用HEH11模的兩個簡并模式，通過在諧振器上方斜45o方向插入螺釘，使兩個簡并模式耦合，設(shè)計出一種雙模介質(zhì)濾波器，有效降低濾波器的尺寸，使濾波器的結(jié)構(gòu)更加緊湊.通過優(yōu)化調(diào)試對比設(shè)計指標(biāo)，最終濾波器仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，對5G網(wǎng)絡(luò)頻段介質(zhì)濾波設(shè)計與應(yīng)用提供一定的思路和參考價值.