交叉耦合介質(zhì)諧振腔濾波器*

王陸山，馮全源

(西南交通大學(xué)微電子研究所，成都610031)

近年來，現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，使得對通信系統(tǒng)裝備的重量及尺寸要求越來越高。特別是移動通信系統(tǒng)，對濾波器、雙工器的要求很高，不僅要性能可靠、插損低、而且體積要小，具有高的選擇性。介質(zhì)濾波器［1-3］因具有體積小、插損低和穩(wěn)定性好的特點，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星和移動通信系統(tǒng)。目前，有多種形式的介質(zhì)濾波器，比如多模濾波器、混和模濾波器和單模濾波器。多模濾波器和混和模濾波器的特點是插損低、體積小以及能夠?qū)崿F(xiàn)橢圓函數(shù)功能。然而，這些濾波器的寄生通帶性能差、設(shè)計復(fù)雜、難以調(diào)試以及加工費用高。單模濾波器設(shè)計簡單，布局靈活，加工成本低，相對應(yīng)的不足之處在于有較大的尺寸和重量。

平面布局的TE01模介質(zhì)濾波器［3］在引入交叉耦合［4］技術(shù)后可以實現(xiàn)準(zhǔn)橢圓函數(shù)功能［5］。其中，準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器是基于切比雪夫函數(shù)，在其通帶外引入有限的傳輸零點，使得帶外抑制可以做的非常高，帶內(nèi)的特性與切比雪夫濾波器相同，其帶外有限傳輸零點的位置數(shù)目靈活，可控。因此，采用準(zhǔn)橢圓函數(shù)實現(xiàn)的TE01模介質(zhì)濾波器，在阻帶能夠產(chǎn)生傳輸零點，其性能幾乎可以趕上HE11雙模介質(zhì)濾波器［6］。本文的重點在于TE01模介質(zhì)諧振器的設(shè)計以及利用交叉耦合來實現(xiàn)準(zhǔn)橢圓函數(shù)。

1 介質(zhì)諧振腔的設(shè)計

圓環(huán)形介質(zhì)諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中，圓環(huán)型介質(zhì)諧振器的內(nèi)孔的直徑為2ρ1，外部直徑為2ρ2，諧振器的厚度為l2，介電常數(shù)為εr。介質(zhì)諧振器置于一個理想的傳輸波導(dǎo)腔體中，該傳輸波導(dǎo)的直徑為2ρ3，諧振器距波導(dǎo)的上下壁之間的距離分別為l1、l3。

圖1 圓環(huán)形介質(zhì)諧振腔的結(jié)構(gòu)

由于置于這種諧振腔內(nèi)的高介電常數(shù)(εr)材料的介電常數(shù)很高、損耗很小，因此在相同頻率段，它的體積比波導(dǎo)濾波器小，而且Q值高，其Q值可由下式近視估算:

式中，tanδ表示介質(zhì)材料的正切損耗，tanδ的典型值約為5×10-5～1×10-4。所以Qu可達(dá)1×104～2×104，這樣的Qu值是同尺寸鍍銀同軸腔的數(shù)倍。

介質(zhì)諧振腔的諧振頻率可以用模式匹配法［7-8］來分析計算。為了減少金屬腔體的損耗，腔體的邊長一般設(shè)置為大于介質(zhì)諧振器直徑的1.5倍，及ρ3/ρ2=1.5。腔體的高為介質(zhì)諧振器厚度的3倍左右，即(l1+l2+l3)/l2=3，在通常情況下，為了增大頻率調(diào)諧范圍，可以適當(dāng)增大腔體的高度。由模式匹配法分析知當(dāng)l2/2ρ2=0.4時，有較好的模式分離［3］。在諧振器中心開孔有利于抑制寄生模對主模TE01模的影響，當(dāng) ρ2/ρ1=2.5，有最佳的模式分離。

圖2 TE01模單腔模型

典型的TE01模單腔介質(zhì)諧振器模型如圖2所示，它主要有3個部分組成:調(diào)諧結(jié)構(gòu)，介質(zhì)諧振器以及介質(zhì)支撐。調(diào)諧結(jié)構(gòu)是濾波器設(shè)計中不可缺少的元件，由調(diào)諧桿和調(diào)諧盤組成，它可以使得因加工精度等造成的問題通過調(diào)諧元件來解決。調(diào)諧結(jié)構(gòu)既可以用介質(zhì)材料，也可以用金屬來調(diào)諧。介質(zhì)支撐一般采用低介電常數(shù)的材料，這樣可以減小介質(zhì)損耗，提高諧振器的Q值。

2 介質(zhì)諧振腔耦合設(shè)計

介質(zhì)諧振腔之間的耦合有磁耦合與電耦合，分別如圖3所示。磁耦合主要通過開窗的方式來實現(xiàn)。磁耦合的窗口應(yīng)該位于磁場最大的位置，并且與磁場的方向平行。窗口的寬度越大，耦合越大，但是TM01模比TE01模有更強的耦合，窗口過寬不利于對TM01模的抑制，所以窗口的寬度不能太寬，通過耦合螺釘可以對腔體之間的耦合系數(shù)進行調(diào)節(jié)。電耦合是通過耦合探針來實現(xiàn)的，根據(jù)介質(zhì)諧振器工作模式的場分布，可以用S形的耦合探針來實現(xiàn)電耦合。通過改變S形探針的圓弧長度來控制電耦合的大小。

圖3 介質(zhì)諧振腔之間的耦合

圖4 耦合系數(shù)仿真曲線

使用HFSS的本證模式，仿真磁耦合與電耦合。耦合系數(shù)仿真采用雙模法，將模型建好后，設(shè)置模式數(shù)為2，可以得到solution data的兩個諧振頻率。其中一個頻率等效為在兩腔的對稱面插入一個理想的電壁而得到的頻率(fe)，另一個頻率等效為在兩腔的對稱面插入一個理想的磁壁而得到的頻率(fm)。耦合系數(shù)可以按公式

圖4為按式(2)擬合出磁耦合時不同長度的耦合螺釘對應(yīng)的耦合系數(shù)，從圖中可以看出，耦合螺釘越長，耦合系數(shù)越小。

3 交叉耦合濾波器仿真實例

用HFSS仿真設(shè)計了一個6階準(zhǔn)橢圓函數(shù)，能實現(xiàn)4個傳輸零點的濾波器，該濾波器中心頻率f0=2.6 GHz，帶寬WB=50 M，回波損耗LR=20 dB。耦合矩陣可以由文獻(xiàn)［9］中的方法綜合得到，經(jīng)過綜合變換得到的耦合矩陣為

經(jīng)過綜合優(yōu)化設(shè)計后的濾波器模型如圖5所示，諧振器的介電常數(shù)εr=45，調(diào)諧結(jié)構(gòu)的材料和諧振器的材料相同，支撐介質(zhì)的介電常數(shù)εr=4.5，諧振器的內(nèi)徑2ρ1=8.08 mm，外徑2ρ2=20.2 mm，厚度l2=8.08 mm，經(jīng)過仿真后濾波器的S參數(shù)曲線如圖6所示。

圖5 6階交叉耦合濾波器

圖6 仿真的S參數(shù)曲線

4 抑制寄生模措施

介質(zhì)濾波器的主要缺點是寄生模特性差，由其他高次模引起的寄生通帶離主模TE01模引起的通帶很近。在帶通濾波器后面級聯(lián)一個低通濾波器可以抑制由高次模引起的寄生通帶，但是會增加體積，同時會引入插入損耗。λ/4同軸腔諧振器的第一高次模出現(xiàn)在，所以由同軸腔與介質(zhì)諧振腔混合耦合的濾波器［3］可以用來抑制寄生模效應(yīng)，但是濾波器的整體Q值會下降。

同軸腔與介質(zhì)諧振腔混合耦合的濾波器如圖7所示，包含2個同軸諧振腔和4個介質(zhì)諧振腔。輸入輸出端分別與同軸諧振器耦合，同軸諧振器與介質(zhì)諧振器的耦合可以通過開窗的方式來實現(xiàn)。經(jīng)過HFSS綜合優(yōu)化仿真，得到的響應(yīng)圖如圖8所示，從圖中可以看出，該濾波器能對寄生模有很好的抑制作用。

圖7 6階混合耦合濾波器

圖8 混合耦合濾波器S21參數(shù)

5 結(jié)論

本文介紹了TE01模介質(zhì)諧振腔濾波器的設(shè)計方法，并通過HFSS仿真設(shè)計了一個中心頻率為2.6 G，實現(xiàn)4個傳輸零點的準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器，該濾波器有很高的通帶選擇性。最后設(shè)計了一個同軸腔與介質(zhì)諧振腔混合耦合的濾波器，抑制了介質(zhì)諧振器差的寄生特性的影響。

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