TE01δ模容性交叉耦合介质腔体滤波器设计

郭勤武，江娟，雷泽林，章天金

(湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062)

TE01δ模容性交叉耦合介质腔体滤波器设计

郭勤武，江娟，雷泽林，章天金

(湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062)

根据CQ与CT容性交叉耦合原理，结合4G(TD-LTE)频段要求，利用高性能TE01δ介质谐振器设计两款四腔介质腔体滤波器，其中采用立方体单腔和棒形端口结构设计的滤波器在带外引入两个传输零点，采用圆柱体单腔和环形端口结构设计的滤波器在带外引入一个传输零点.为方便设计和布局，交叉耦合也采用两种不同的结构.综合以上两种结构设计出一款六腔CQ交叉耦合介质腔体滤波器.通过不断优化调试改进，最终的模拟结果满足初始的指标要求，证明实验方法的可行性和灵活性.

腔体滤波器；TE01δ模；介质谐振器；交叉耦合

0 引言

伴随着现代无线通讯事业的高速发展，如何满足日益增长的数据通信需求和提供更高质量的信号，对基站滤波器性能提出了更苛刻的要求[1].金属腔体滤波器和介质腔体滤波器作为最为两种常见的基站用滤波器，后者相比较前者具有低损耗、温度稳定性高以及小型化等优点[2].在众多模式中，TE01δ模介质滤波器在生产设计上应用较为普遍，这是因为其具有结构设计简单、腔体排布灵活、生产成本低等优点[3].随着微波技术的发展，各种新型腔体设计和耦合结构不断出现[4-5]，提高了腔体性能和缩短了研发周期.因此在腔体滤波器设计中，如何高效选择合适的腔体大小、求得满足要求的腔间开口尺寸和优化全腔滤波器工艺参数对于生产应用至关重要.同时为了用更少的腔体数目满足更严格的技术指标，达到更强的带外抑制，滤波器常常需要在带外产生有限个对称或不对称传输零点，一般采用CQ与CT交叉耦合结构来实现[6].针对具体情况，交叉耦合的引入方法多种多样，结构不一[3].除此之外，输入输出端口结构对滤波器性能也有显著影响[7].如何根据具体的腔体结构选择合适的交叉耦合和端口设计是需要深思熟虑的问题.本文中结合现代微波滤波器设计理论,通过灵活多变的腔体设计，不限于固定形式的交叉耦合和端口结构设计了3款可自由引入传输零点的容性交叉耦合介质腔体滤波器，在交叉耦合结构的实现和端口的设计上进行创新.

1 CQ和CT容性交叉耦合滤波器设计

1.1 容性交叉耦合理论 容性交叉耦合主要有四腔CQ和三腔CT两种[6]，容性交叉耦合的实现方式多种多样，如：棒[3]、环[8]等.由图1容性交叉耦合结构及其频率响应可知，根据相移变化，CQ容性结构在高低带各产生一个传输零点，而CT容性结构只在低带产生一个传输零点，相比不加交叉耦合，其频率响应曲线带外抑制明显增强.传输零点的位置可以通过控制交叉耦合量的大小而变化，具体采取什么样的结构是需要探讨的问题，下面结合两个具体实例来说明.

图1 容性交叉耦合结构及其频率响应曲线(实线)和不加交叉耦合时频率响应曲线(虚线)的对

1.2 CT立方体结构介质腔体滤波器

1.2.1 技术指标和参数计算 根据4G(TD-LTE)频段要求[9]，同时为达到更好的滤波性能和说明本方法的高效合理，本文中要求通带回波损耗[10]性能|S11|>25 dB，综合制订的技术指标如下：

首先根据技术指标确定合适的腔体数目、滤波器腔体之间的耦合系数和外部Qe值[11].计算求得耦合系数K12=0.017 5、K23=0.014 3、K34=0.017 5、K14=- 0.002 6及外部Qe=44.148 3.

1.2.2 滤波器物理结构设计 1) 单腔设计，立方体单腔结构如图2(a)所示，由金属腔体、低介电常数底座、介质谐振器、介质盖板、固定螺钉组成[12].结合本文中所用TE01δ环形介质谐振器直径Dr、厚度Hr尺寸，通过选择合适的腔体长宽高在三维仿真软件HFSS中进行单腔谐振频率模拟，同时为减少腔体损耗，需要把介质谐振器放在低介电常数底座上，为便于实物加工，要进行倒角处理.谐振器上方留出一定高度加入调谐盖板调谐频率，利用本征模式求出谐振频率随调谐盖板高度的关系变化，调谐盖板的高度通过改变固定螺钉长度turn来等效实现.经过合理控制a/Dr、b/Dr、c/Hr比例关系，从图2(b)可以看出，随着螺钉长度turn的增大，谐振频率下降.其中扫描曲线包含需要的中心频率f0，并且具备一定的上下调谐范围，满足设计要求，最后得出单腔尺寸为a×b×c=31 mm×31 mm×32 mm.

图2 (a) 立方体单腔结构；(b)谐振频率随螺钉长度变化的曲

2) 双腔设计，相邻腔体间为实现耦合通过开口连接，为便于后续整体调节，需在开口中部加入耦合螺钉，双腔结构如图3(a)所示.由于腔与腔之间耦合系数K有所差异，要通过改变开口大小W来调节耦合量,因此合理控制开口大小至关重要.根据之前计算求得的耦合系数，采用的计算公式如(1)式所示[13]：

(1)

其中，f1与f2分别为本征模式下模式1与模式2的谐振频率.耦合系数K随开口宽度W变化的关系如图3(b)所示，从图中可以看出曲线包含之前所有直接耦合系数值，并且随着开口宽度W的增大，耦合系数K也逐渐增大.根据具体的耦合系数值K，可以知道满足对应参数要求的开口宽度W.

图3 (a) 双腔结构；(b) 耦合系数K随开口宽度W变化的曲

3) 端口设计，参考文献[14]采用如图4(a)所示棒形结构，输入输出耦合大小可以通过调节棒长度Ld、高度Lh和离谐振器的距离来实现.根据之前求得的Qe值，利用群时延方法[11]，利用(2)式带入数值计算，得出群时延值Tg为10.878 ns.

(2)

为保证在中心频率f0处得到Tg，还需要结合式(1)调节调谐盖板的高低控制谐振频率，经过优化调试后，从图4(b)可以看出在f0处得到满足设计要求的群时延响应值.

图4 (a)端口结构；(b)群时延响

4) CQ容性交叉耦合结构，结合方形腔体特点，采用如图5所示的水平U形棒结构，这不同于文献[15]简单垂直放置在腔体中部，相比而言采用如此结构便于控制交叉耦合量的大小.为了在高低带各产生一个可控的传输零点,要通过控制D1、D2、D3、D4、H值大小来调节交叉耦合量.本文中不拘泥于一定要D2=D3，优先考虑的是H、D4位置的确定，其次确定D1、D2、D3来设计满足交叉耦合K14的初始结构尺寸.

图5 (a)交叉耦合结构俯视图；(b)交叉耦合结构侧视

图6 (a)四腔立方体介质腔体结构；(b)全腔HFSS仿真S曲

1.3 CT圆柱体结构介质腔体滤波器 根据4G(TD-LTE)频段要求，也为了进一步说明本方法的实用性和灵活性，制订不同于1.2技术指标的中心频率f0、通带宽度BW，同时也严格要求通带回波损耗|S11|>25 dB，综合得到的技术指标如下：

三维结构同样按照1.2节单腔、双腔、端口、交叉耦合逐步设计.由于本小节单腔结构采用圆柱形结构，腔体大小设计时要重点关注腔体直径Dy与谐振器直径Dr的比例关系.同时为了实现CT交叉耦合结构在低带引入一个传输零点，在图7(a)中的②④腔引入不同于文献[9]S型环的垂直U型棒.由于这里CT交叉耦合是对角线结构和圆柱形腔体空间限制，不宜采用类似1.2的交叉耦合结构.根据腔体特征输入输出端采用环形探针形式，这样端口在设计时可以由环绕圆柱形腔体自由旋转一定角度来调试[18]，这是采用棒形端口所无法实现的.观察图7(a)可知，采用CT容性交叉耦合结构的全腔是不对称的.为了达到更好的性能，设计时让输入输出端圆环朝向同一侧.经过优化调试后得到仿真S曲线如图7(b)，观察最终的仿真结果，曲线在左边低带成功产生一个传输零点，其他诸如中心频率f0、通带宽度BW、插入损耗|S21|等都满足设计指标，说明针对不同指标和不同结构，本例所采用的方法同样合理高效.

图7 (a)四腔圆柱体介质腔体结构；(b)全腔HFSS仿真S曲

2 六腔CQ交叉耦合结构设计

根据4G(TD-LTE)频段要求，制订新的中心频率f0及更严格的带外抑制，得到技术指标如下所示：

图8 六腔立方体直接耦合开口结构

首先根据以上技术指标求出耦合系数K和外部Qe值，然后结合1.2与1.3的设计方法，混合设计一款六腔CQ交叉耦合滤波器.为了提高设计难度，腔体结构采用1.2立方体腔体，端口采用1.3环形结构，交差耦合部分同1.3.同时为了便于在②⑤腔体间引入传输零点，全腔结构采用类似1.2型的拓扑结构排布[3].由于求得耦合系数K34较小，为防止③④相邻腔体间开口过小造成腔体壁与耦合螺钉相碰，开口结构如图8所示离地面保持一定高度H.采用如此结构可以在保持耦合量不变的情况下扩大开口宽度，这不同于之前图6(a)、图7(a)相邻腔体之间一开到底的设计.在端口设计上结合全腔对称情况，端口圆环朝向相对,最终得出全腔结构，如图9所示.经过综合调试后，得到最终结果如图10所示,中心频率f0、通带宽度BW、插入损耗|S21|等满足设计指标，高低带各产生一个传输零点，达到所需要的带外抑制，验证和说明本方法的灵活性和可行性.

图9 六腔立方体交叉耦合介质腔体结

图10 六腔立方体介质腔体HFSS仿真S曲

3 结论

本文中论述介质腔体滤波器的设计和改进方法，利用高性能TE01δ环形介质谐振器，结合腔体容性交叉耦合原理，设计两款技术指标不同的四腔立方体CQ与四腔圆柱体CT两种结构不同的交叉耦合腔体滤波器，其中在交叉耦合和端口的实现上针对不同的情况采用不同的设计，对交叉耦合U型棒的放置与控制，探讨端口是采用棒形还是环形结构，特别是环形端口的朝向问题.结合以上两种结构和设计方法，综合设计出一款复杂六腔CQ交叉耦合腔体滤波器，其中腔体采用立方体结构，端口采用环形结构，交叉耦合采用垂直放置U型棒结构.通过优化调试后对比设计指标，仿真结果显示各项指标满足初始的设计要求.本文中腔体滤波器设计方法灵活多变，不限于固定的形式.三款滤波器各有其独特的特点，为以后设计更复杂结构和更高性能的容性交叉耦合结构腔体滤波器提供一定的思路和参考价值.

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(责任编辑 郭定和)

Design of TE01δmode dielectric resonator cavity filterwith capacitive cross-coupling

GUO Qinwu, JIANG Juan, LEI Zelin, ZHANG Tianjin

(Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

On the basis of CQ (cascaded quadruplet) topology and CT (cascaded triplet)topology principle for capacitive cross-coupling,in combination with the 4G(fourth generation) band requirements of TD-LTE(time division long term evolution),four-pole TE01δmode dielectric resonator cavityfilter were designed.Two transmission zeros were introduced to the filter with cubic cavities andbar shaped port structure. In contrast, one transmission zero was introduced to the filter with cylindrical cavities and annular port structure. Meanwhile, different cross-coupling was adopted in these two different structures for the convenience of design and layout.Finally, asix-pole dielectric resonator cavity filter with CQ cross-coupling structure was designed by combining the two structures mentioned above. Through the optimization and improvement, the final simulation results meet the initial requirements. And the feasibility and flexibility of the experimental method was testified.

cavity filter;TE01δmode;dielectric resonator;cross-coupling

2016-12-10

郭勤武(1990-)，男，硕士生；章天金，通信作者，教授，E-mail: zhangtj@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0511-06

TN713

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.014