5G 頻段單腔多模濾波器的設計與仿真*

羅 兵劉建圻

(1.廣東機電職業技術學院電子與通信學院，廣東廣州 510515；2.廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510520)

射頻濾波器一直是無線通信系統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線通信系統領域的研究熱點[1-12]。但隨著無線通信的發展，對濾波器的體積要求越來越高，傳統的單模濾波器尺寸大，性能差，隨著移動通信技術的高集成度，濾波器的體積要求將越來越小，毫無疑問，多模濾波器利用諧振器中對于不同的場分布有無窮多個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并模[2-3]。如果在單個諧振器中加入一些微擾(比如開槽、切角或加入小的貼片、內切角等)，會改變原正交簡并模的電場分布，使得一對正交簡并模之間發生耦合，2 個耦合簡并模的作用相當于2 個耦合諧振器，從而在保持諧振回路不變的情況下，使諧振器的個數呈幾何級數減少，例如，可以利用一個諧振器的3 個模式在一個傳統的n節濾波器的物理空間實現3n節濾波器的特性，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。

中華人民共和國工業和信息化部(簡稱工信部)已正式發布關于第五代移動通信系統使用3 300 MHz～3 600 MHz 和4 800 MHz～5 000 MHz 頻段相關事宜的通知(工信部[2017]276 號)，第5 代移動通信系統的研究已得到了政府的政策支持，并在2019 年6 月6 日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G 商用牌照，標志著我國正式進入5G 商用元年。基于目前的5G 標準，腔體濾波器作為移動通訊基站必不可少的一部分必須進行改進，因此設計適用的腔體濾波器是必要的。然而，傳統的單模濾波器體積較大，因此，文章采用一種多模結構的諧振器，并用此諧振器設計一種5G 頻段多模腔體濾波器。

1 多模諧振器的設計原理

在一個諧振腔中可能存在多個諧振模式，可以利用一個腔內的多個諧振模式，設計諧振頻率相同的多模耦合電路，一個諧振腔可以代替多個腔使用，因此，可以起到縮小濾波器的整體尺寸、減輕重量的作用。關于雙重及多重簡并濾波器的實驗模型已有大量的研究，獲得了一定的濾波特性[3-4]。大多數文獻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諧等缺點，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，其長為a，寬為l，高位b，諧振腔諧振波長為[5]:

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

在圖1 的矩形諧振腔中，如果填充的是介質，則

式中:μr、εr分別為填充介質的磁導率和介電常數，顯然，通過填充介質的方式，可以獲得更小的諧振器體積。

圖1 矩形諧振腔結構

2 單腔多模濾波器的設計與仿真

所設計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)，帶內波動:≤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撲結構如圖2 所示，輸入輸出與3 個諧振模式間的耦合系數矩陣如表1 所示，基本響應曲線如圖3 所示。

圖2 濾波器基本拓撲結構

表1 輸入輸出與三個諧振模式間的耦合系數矩陣

圖3 濾波器基本響應曲線

多模濾波器的設計主要難點是端口耦合的設計和各模式之間的耦合設計。

2.1 諧振器與諧振頻率的設計

實際諧振器設計中，選取一種磁導率μ＝1，介電常數εr＝8.7 的介質填充矩形腔體，矩形腔體的長、寬、高分別為20 mm、20 mm、20 mm，根據公式，可計算出3 個諧振模式TE101、TE011、TM110 的諧振頻率均為3.595 GHz。利用三維電磁場仿真工具HFSS建立仿真模型如圖4 所示，通過本征模仿真分析，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，理論計算值與電磁場仿真誤差小于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 個模式TE101、TE011、TM110 的電場圖，由仿真的各模式電場圖可以看到電場在矩形介質腔體的的中間位置最強，因此，可以在矩形介質腔體的中間位置插入螺釘的方式干擾場模式，使得各個模式之間產生耦合，通過控制插入螺釘的半徑和深度，可以控制耦合的強弱。

圖5 TE101 模式的電場圖

圖6 TE011 模式的電場圖

圖7 TM110 模式的電場圖

2.2 端口耦合的設計

端口耦合指輸入端與第一個諧振器的耦合，輸出端與最后一個諧振器的耦合。把三模濾波器看成一個三階濾波器，一個模式就對應一個諧振器，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，端口耦合的強弱可以用有載Q值來表示，即輸入、輸出端口的位置一般是通過有載Q值來確定，且為反比。有載Q值與耦合系數的關系為:

端口耦合采用常見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 的內導體探針伸入矩形介質腔中作為激勵，如圖8 所示。根據圖5～圖7 的各模式電場方向圖可知，在矩形介質的任意一面的中心位置安放SMA 連接器，SMA 的內導體探針都會進入對應模式電場最強的區域，和相對應的諧振模式產生電耦合。耦合強弱與內導體探針伸入介質的深度成正比。但是，SMA 的內導體探針的長度(S的大小)也會影響到諧振器的Q值，如圖9 所示，插入過深會使得Q值急劇下降，因此，綜合考慮，探針深度取5 mm。

圖8 內導體探針伸入腔體位置圖

圖9 SMA 內導體探針長度(S)與Q 值的關系

2.3 模式間的耦合與調諧設計

耦合系數的計算可以根據公式

進行估算，其中，k表示2 個諧振器間的耦合系數，f1表示第1 個諧振器的諧振頻率，f2表示第2 個諧振器的諧振頻率。

正如圖5～圖7 所展示的各模式電場圖分布情況，在如圖10 所示的矩形介質腔體的3 個面上插入螺釘的方式，可以改變場的分布情況，并使得模式之間產生相互耦合，耦合的強弱與螺釘的半徑和插入螺釘的深度有關，在固定螺釘半徑不變的情況下，圖11所示是螺釘1 的長度與耦合強度的關系，圖12 所示是螺釘2 的長度與耦合強度的關系，圖13 所示是螺釘3 的長度與耦合強度的關系。

圖10 微擾耦合螺釘的位置圖

圖11 螺釘1 的長度與耦合系數的關系

圖12 螺釘2 的長度與耦合系數的關系

圖13 螺釘3 的長度與耦合系數的關系

3 單腔多模濾波器的設計與仿真

根據端口耦合及各模式之間耦合系數的關系，最終建立的單腔多模濾波器結構參數如表2 所示。

表2 單腔多模濾波器的初始尺寸與優化尺寸 單位:mm

使用三維電磁場仿真軟件精確仿真后，可得到所設計濾波器的回波損耗＞20 dB，插入損耗＜0.2 dB，通帶右側引入一個傳輸零點，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 的長度(h1)對回波損耗的影響

4 影響濾波器的關鍵參數仿真

所設計的多模濾波器經過大量的仿真分析和計算后，對影響多模濾波器的關鍵參數進行了分析，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，螺釘1 的長度(h1)對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，螺釘2 的長度(h2)對多模濾波器回波損耗的影響如圖16 所示。螺釘3 的長度對多模濾波器的影響與螺釘1 的相似。

圖16 螺釘2 的長度(h2)對回波損耗的影響

5 實測結果與分析討論

所設計的多模濾波器經過加工后的實物圖如圖17 所示，使用E5071C 網絡分析儀進行了實物指標測試，結果如圖18 所示，結果顯示:在3.3 GHz～3.6 GHz 頻段范圍內，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，但在左右側都出現了傳輸零點，使得抑制性能更好。誤差原因主要是因為多模腔體濾波器容易受到外界干擾，而且從仿真也可以看出關鍵參數的變化還會引起性能的急劇變化，因此，對關鍵參數要調好后，固定好螺釘，不能因為外界的干擾而引起濾波器性能的惡化。

圖17 濾波器實物圖

圖18 實測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計方法，利用單腔諧振器中對于不同的場分布有無窮多個諧振模式和諧振頻率，在單個諧振器中加入一些微擾(比如開槽、切角或加入小的貼片、內切角等)，加入調諧螺釘的方式改變原正交簡并模的電場分布，使得正交簡并模之間發生耦合，2 個耦合簡并模的作用相當于2 個耦合諧振器，從而在保持諧振回路不變的情況下，使諧振器的個數減少了一半，從而大大減小了濾波器的體積。文章分析了TE101，TE011，TM110 3 個模式的電場模式，并在對應電場較強的位置插入螺釘的方式影響場分布，使得模式之間發生耦合，控制螺釘的大小及插入深度可以控制耦合的強弱，從而實現濾波器的參數指標。最后綜合分析了各個調諧螺釘長度對濾波器綜合性能的影響，結果表明，在3 顆螺釘一定的長度范圍內，螺釘長度對濾波器的影響是線性可控的，但從濾波器的關鍵參數仿真分析來看，顯然有的參數變化會導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，并要留有一定的調諧空間。

6 結束語

隨著人們生活水平的提高，對移動通信技術的要求也越來越高，因此，移動通信技術經過了2G，3G，4G技術的發展后，5G 技術隨之而來，作為無論哪一代移動通信技術都離不開的濾波器，在無線通信頻率資源越來越緊張的5G 時代，必將要求越高，需求越多，而且在系統化、節約化的當今時代，濾波器的小型化必然是其發展趨勢。因此，文章利用單腔諧振器中存在的多個諧振模式，實現單腔多模濾波器，完成了單腔多模濾波器的設計，實現了濾波器的體積小型化，設計結果指標在通帶內:插入損耗＜1.1 dB，回波損耗＞15.8 dB，達到設計目標。但由于模式間的耦合比較復雜，有時微擾對模式的耦合不是線性的，而且微擾不僅僅對某個模式有影響，對其他模式也有影響，如何控制微擾對各模式之間的影響是多模濾波器的研究難點。本研究可以作為多模濾波器研究的參考，對運用于5G 無線通信網絡的介質腔體多模濾波器設計提供一定的思路和參考價值。