武警參謀部作勤局 原建宏

武警工程大學(xué) 余 陽

0 引言

由于智能手機(jī)和平板電腦的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)流量的需求正在迅速增長(zhǎng)。目前，開發(fā)蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施以支持由無線設(shè)備發(fā)起的快速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)洪流的努力非常艱巨。典型的蜂窩基站將它們的收發(fā)器放置在基礎(chǔ)桅桿中，在該基礎(chǔ)桅桿中它們通過長(zhǎng)同軸電纜連接到頂部桅桿處的天線，這使得信號(hào)很大一部分在長(zhǎng)的同軸電纜中被衰減。一種顯著減少能量損耗的方法是將收發(fā)器放置在天線旁邊的頂部桅桿上。這可以通過小型化蜂窩基站組件來實(shí)現(xiàn)。此外，安裝新的蜂窩基站以及與現(xiàn)有基站共同使用它們的需求日益增加將進(jìn)一步限制濾波器①。

近年來在小型化濾波器中的發(fā)展已經(jīng)顯示出蜂窩無線電基站和衛(wèi)星應(yīng)用的尺寸和重量顯著減小的可能性。正如Fiedziuszko②報(bào)道的那樣，通過使用雙模介質(zhì)濾波器可以進(jìn)一步降低功耗。雙模式帶通濾波器與常規(guī)TEM或同軸線諧振器相比具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，這是多年來通常采用的解決方案，特別是在體積和質(zhì)量非常關(guān)鍵的情況下③。

本文提出了一種適用于蜂窩基站應(yīng)用的小型化濾波器。所提出的配置顯著減小了尺寸，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)因數(shù)和可接受的虛假窗口。所提出的雙模介質(zhì)濾波器由高介電常數(shù)圓形陶瓷圓盤組成，懸浮在圓柱形金屬外殼中并與側(cè)壁短路。實(shí)現(xiàn)了具有不對(duì)稱響應(yīng)的四腔濾波器，顯示了所提出方法的有效性。

1 雙模陶瓷諧振腔結(jié)構(gòu)和諧振

所設(shè)計(jì)的腔體的側(cè)視圖如圖1所示。提出的雙模介電負(fù)載腔體結(jié)構(gòu)是基于TE11的圓形波導(dǎo)。它由高介電常數(shù)的圓形陶瓷圓盤組成，圓柱形金屬外殼中懸掛著圓形陶瓷，波導(dǎo)腔在截止點(diǎn)以下，并且與側(cè)壁短路，使濾波器尺寸小型化，同時(shí)保持良好的電氣性能。從表I中可以看出，無負(fù)載諧振器展現(xiàn)1.87GHz的基本諧振頻率，Qu為4846，并且具有760MHz之間的基頻和第一高階模式。

圖1 雙模式介電負(fù)載腔體結(jié)構(gòu)圖

表1 高介電常數(shù)的圓形陶瓷圓盤前六種諧振模式

雙模式陶瓷諧振腔耦合：

兩個(gè)正交TE11簡(jiǎn)并模式之間的耦合通過使用相對(duì)于極化軸45°的螺釘或通孔來實(shí)現(xiàn)。輸入/輸出同軸探針和腔內(nèi)耦合螺釘位于與介質(zhì)諧振器近似的距離處，因?yàn)榇蟛糠蛛姶艌?chǎng)被限制在介質(zhì)諧振器內(nèi)，使用εr= 45，切線損失0.00004的介質(zhì)材料。圖2所示中，使用同軸探頭進(jìn)行輸入/輸出耦合的耦合配置。通過調(diào)節(jié)輸入/輸出耦合探頭的尺寸和穿透深度以及通過螺釘或通孔進(jìn)行內(nèi)腔耦合，可以控制耦合值。

圖2 雙極化雙模濾波器結(jié)構(gòu)

2 濾波器設(shè)計(jì)

圖4所示給出了四階雙模帶通濾波器在堆疊配置中的仿真響應(yīng)。兩個(gè)腔之間的耦合通過使用金屬線進(jìn)行腔內(nèi)耦合來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵搱?chǎng)衰減的距離近似于圓盤的近似距離，如圖3所示。

圖3 堆疊配置中的四階雙模帶通濾波器

仿真響應(yīng)在3dB處具有58MHz的帶寬，插入損耗小于0.2dB。此外，在圖4中觀察到，在2.3GHz處出現(xiàn)意外的寄生諧振，從本征模式解算器HFSS獲得的結(jié)果中不存在非常接近基頻的結(jié)果。這種出乎意料的共振的出現(xiàn)是由于使用了不適當(dāng)?shù)鸟詈霞夹g(shù)。圖5所示顯示了當(dāng)環(huán)路電流用于輸入/輸出耦合時(shí)，上述寄生耦合不存在。

圖4 四階雙模帶通濾波器在堆疊配置中的仿真響應(yīng)

圖5 濾波器環(huán)路電流I/O耦合

3 傳輸零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

所提出的濾波器呈現(xiàn)廣義切比雪夫響應(yīng)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，其中通帶的高/低側(cè)需要傳輸零點(diǎn)，典型地用于在蜂窩基站中的相鄰信道之間提供高度隔離。傳輸零點(diǎn)可以通過在非相鄰諧振器之間產(chǎn)生多路徑交叉耦合來實(shí)現(xiàn)，以在有限的期望頻率產(chǎn)生破壞性干擾，增加濾波器的選擇性。這是通過改變輸入/輸出耦合和腔內(nèi)耦合之間的角度來實(shí)現(xiàn)的④。獲得的不對(duì)稱響應(yīng)如圖6所示。

圖6 四階雙模濾波器在上通帶邊緣的四個(gè)傳輸零點(diǎn)

4 結(jié)論

本文介紹了用于蜂窩基站應(yīng)用的新型小型化濾波器，該微帶濾波器具有良好的電氣性能和簡(jiǎn)單的小型化結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的圓柱形空腔由高介電常數(shù)的圓形陶瓷圓盤懸掛在圓柱形金屬外殼中并與側(cè)壁短路組成。所提出的濾波器表現(xiàn)出高的空載品質(zhì)因數(shù)和合理寬的偽操作窗口?；谶@個(gè)腔體，一個(gè)4腔雙模式廣義切比雪夫被制造成堆疊結(jié)構(gòu)。傳輸零點(diǎn)以任意頻率添加，以提高阻帶衰減性能。所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提出的用于發(fā)射蜂窩無線電基站的濾波器的有效性。

注釋

①Snyder R V.Evolution of passive and active microwave filters[C].2012 IEEE MTT-S International.IEEE,2012,pp.1-3.

②Fiedziuszko S J.Dual-Mode Dielectric Resonator Loaded Cavity Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques.1982,30(9):1311-1316.

③Accatino L,Bertin G,Mongiardo M,et al.A New Dielectric-Loaded Dual-Mode Cavity for Mobile Communications Filters[C].Microwave Conference,31st European.IEEE,2001,pp.1-4.

④Musonda E,Hunter I C.Microwave Bandpass Filters Using Re-Entrant Resonators[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques.2015,63(3):954-964.