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(diǎn)，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(diǎn)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(jì)復(fù)雜、難以調(diào)試以及加工費(fèi)用高。單模濾波器設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)，使得帶外抑制可以做的非常高，帶內(nèi)的特性與切比雪夫?yàn)V波器相同，其帶外有限傳輸零點(diǎn)的位置數(shù)目靈活，可控。因此，采用準(zhǔn)橢圓函數(shù)實(shí)現(xiàn)的TE01模介質(zhì)濾波器，在阻帶能夠產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，其性能幾乎可以趕上HE11雙模介質(zhì)濾波器［6］。本文的重點(diǎn)在于TE01模介質(zhì)諧振器的設(shè)計(jì)以及利用交叉耦合來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓函數(shù)。

1 介質(zhì)諧振腔的設(shè)計(jì)

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(gè)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(jì)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(shí)，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(gè)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(jì)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(jì)

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(shí)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(qiáng)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(jìn)行調(diào)節(jié)。電耦合是通過耦合探針來實(shí)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(shí)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(gè)諧振頻率。其中一個(gè)頻率等效為在兩腔的對稱面插入一個(gè)理想的電壁而得到的頻率(fe)，另一個(gè)頻率等效為在兩腔的對稱面插入一個(gè)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(shí)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(shí)例

用HFSS仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)6階準(zhǔn)橢圓函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)4個(gè)傳輸零點(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(gè)同軸諧振腔和4個(gè)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(shí)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(jì)方法，并通過HFSS仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2.6 G，實(shí)現(xiàn)4個(gè)傳輸零點(diǎn)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(jì)了一個(gè)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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