一種應用于移動通信的小型化濾波器

武警參謀部作勤局 原建宏

武警工程大學 余 陽

0 引言

由于智能手機和平板電腦的快速發展，數據流量的需求正在迅速增長。目前，開發蜂窩基礎設施以支持由無線設備發起的快速數據業務洪流的努力非常艱巨。典型的蜂窩基站將它們的收發器放置在基礎桅桿中，在該基礎桅桿中它們通過長同軸電纜連接到頂部桅桿處的天線，這使得信號很大一部分在長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現。此外，安裝新的蜂窩基站以及與現有基站共同使用它們的需求日益增加將進一步限制濾波器①。

近年來在小型化濾波器中的發展已經顯示出蜂窩無線電基站和衛星應用的尺寸和重量顯著減小的可能性。正如Fiedziuszko②報道的那樣，通過使用雙模介質濾波器可以進一步降低功耗。雙模式帶通濾波器與常規TEM或同軸線諧振器相比具有相當大的優勢，這是多年來通常采用的解決方案，特別是在體積和質量非常關鍵的情況下③。

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

1 雙模陶瓷諧振腔結構和諧振

所設計的腔體的側視圖如圖1所示。提出的雙模介電負載腔體結構是基于TE11的圓形波導。它由高介電常數的圓形陶瓷圓盤組成，圓柱形金屬外殼中懸掛著圓形陶瓷，波導腔在截止點以下，并且與側壁短路，使濾波器尺寸小型化，同時保持良好的電氣性能。從表I中可以看出，無負載諧振器展現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 雙模式介電負載腔體結構圖

表1 高介電常數的圓形陶瓷圓盤前六種諧振模式

雙模式陶瓷諧振腔耦合：

兩個正交TE11簡并模式之間的耦合通過使用相對于極化軸45°的螺釘或通孔來實現。輸入/輸出同軸探針和腔內耦合螺釘位于與介質諧振器近似的距離處，因為大部分電磁場被限制在介質諧振器內，使用εr= 45，切線損失0.00004的介質材料。圖2所示中，使用同軸探頭進行輸入/輸出耦合的耦合配置。通過調節輸入/輸出耦合探頭的尺寸和穿透深度以及通過螺釘或通孔進行內腔耦合，可以控制耦合值。

圖2 雙極化雙模濾波器結構

2 濾波器設計

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。兩個腔之間的耦合通過使用金屬線進行腔內耦合來實現，因為該場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處出現意外的寄生諧振，從本征模式解算器HFSS獲得的結果中不存在非常接近基頻的結果。這種出乎意料的共振的出現是由于使用了不適當的耦合技術。圖5所示顯示了當環路電流用于輸入/輸出耦合時，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

圖5 濾波器環路電流I/O耦合

3 傳輸零點的實現

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

圖6 四階雙模濾波器在上通帶邊緣的四個傳輸零點

4 結論

本文介紹了用于蜂窩基站應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單的小型化結構。所設計的圓柱形空腔由高介電常數的圓形陶瓷圓盤懸掛在圓柱形金屬外殼中并與側壁短路組成。所提出的濾波器表現出高的空載品質因數和合理寬的偽操作窗口。基于這個腔體，一個4腔雙模式廣義切比雪夫被制造成堆疊結構。傳輸零點以任意頻率添加，以提高阻帶衰減性能。所獲得的實驗結果證實了所提出的用于發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.