介質(zhì)波導(dǎo)雙模濾波器設(shè)計方法與過程分析

一、簡介

隨著通信系統(tǒng)設(shè)備小型，輕量化，高性能的發(fā)展，對前端頻率選擇性器件也提出了更高要求。伴隨5G通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的逐步確定，高性能，小體積，輕量化的介質(zhì)波導(dǎo)濾波器時最佳選擇。

本文介紹了一種介質(zhì)波導(dǎo)雙模濾波器的設(shè)計方法，供經(jīng)驗不多的濾波器設(shè)計工程師學(xué)習(xí)，高手跳過。

二、介質(zhì)波導(dǎo)濾波器介紹

本文講解的介質(zhì)波導(dǎo)濾波器，基于TE模的介質(zhì)波導(dǎo)雙模濾波器Q值高，損耗小，功率容量大等優(yōu)點。因此，在設(shè)計此類雙模濾波器時，以往的多端口計算設(shè)計方法是否可以沿用，是本文討論的重點。

下圖為單諧振器中的四個模式：

通過以上電場分布圖可以觀察到，單腔雙模，單腔三?？梢宰杂蛇x擇。在高次模出現(xiàn)的頻率點上，通過選擇介電常數(shù)，與控制諧振腔尺寸，對高次模進(jìn)行優(yōu)化。盡量拉遠(yuǎn)高次模出現(xiàn)的頻率，減小對通帶的影響。

三、設(shè)計過程

3.1 多模濾波器的設(shè)計，通帶電性能的評估，和單模的評估是一樣的，只是在Q值的評估中，多模的Q值是要高于單模的，這個可以根據(jù)本征模的仿真中觀察到。下圖為一個雙腔4模濾波器的原理評估仿真結(jié)果：

3.2 耦合帶寬以及輸入輸出QL

3.3 HFSS中計算輸入輸出耦合

在HFSS中計算輸入輸出耦合，可以用對位延時大小來初步確定輸入輸出耦合強弱。模擬中連接器探針的插入方向，需要順著某一個模式的電場方向。如下圖所示：

在確定輸入輸出耦合時，因第二模式或者第三模式的影響，需要分離其他模式。此處因存在1,2模式之間的耦合，所以延時波形為雙峰。可以采取頻率分離的方法，減小第二模式對第一模式的影響。

3.4 耦合帶寬與頻率的計算

此處選擇多端口提取方法，在HFSS中提取諧振頻率，耦合帶寬儲值

此處仿真時，需要特別注意端口的簡歷方式，需要順著電場的方向。在計算耦合帶寬時，能同時觀察到濾波器通帶諧波出現(xiàn)的頻率點，通過合理選擇耦合窗口的大小，開口方向，盡量降低高次模諧波幅度。

3.5 濾波器通帶計算與優(yōu)化

對高階多模濾波器的優(yōu)化計算，通常采用兩端口S參數(shù)提取方法，也有用空間映射，遺傳算法等。因此，合理的選擇優(yōu)化方法可以加快設(shè)計速度，節(jié)約時間，縮短濾波器開發(fā)周期。

總結(jié)：以上簡單介紹了一種多模介質(zhì)波導(dǎo)濾波器的設(shè)計過程，在5G通信系統(tǒng)中具有體積小，重量輕，性能優(yōu)等優(yōu)勢，相信在5G通信中的應(yīng)用會更加廣泛。關(guān)于介質(zhì)波導(dǎo)濾波器的設(shè)計，歡迎各位交流。

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