高帶外抑制特性微波陶瓷波導濾波器的設計

梁飛，蒙順良，呂文中

（華中科技大學光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著5G 通信時代的來臨，大規模天線技術和有限的頻譜資源對微波器件的尺寸、工作性能等各項指標都提出了更高的要求。通信網絡中最關鍵的基礎設施——通信基站，能夠實現通信網絡與無線終端之間的信號傳輸。濾波器是保證基站能夠正常工作的核心組件，因此高性能濾波器的設計便成為實現5G 應用的關鍵技術之一[1-2]。在2G、3G、4G時代，金屬同軸腔體濾波器在基站中得到廣泛應用，但體積質量較大，難以滿足5G 基站的小型化、輕量化的要求[3-8]。微波陶瓷波導濾波器擁有小體積、低損耗、溫度穩定性好、成本低等獨特優勢，目前逐漸成為5G 基站用濾波器的主流選擇，因此研究具有高帶外抑制特性的微波陶瓷波導濾波器具有重要的科學價值與實際應用前景。

負耦合結構的設計是陶瓷波導濾波器能夠引入傳輸零點提高帶外抑制的關鍵。目前，廣泛應用的負耦合結構主要是袁本貴[9]提出的負耦合盲孔結構，該結構設計簡單，但調試精度較差，且不適用于小耦合量場景。其他典型的負耦合結構還有卜偉等[10]提出的帶有金屬涂層缺口的階梯通孔結構以及Du 等[11]提出的微帶狀負耦合結構，這2 種結構都能夠實現負耦合，但都存在部分電磁泄漏問題。利用以上的負耦合結構能夠實現容性CQ 耦合單元的設計，為六腔陶瓷波導濾波器引入一對傳輸零點，但傳輸曲線的對稱性卻無法調節，難以同時滿足通帶外近端和遠端高抑制度的要求。為了實現帶外抑制度的調整，劉磊等[12]設計了能夠產生兩對傳輸零點的八腔陶瓷波導濾波器，這種設計方案可以實現濾波器通帶外近端和遠端的帶外抑制調整，但腔體數量的增加導致濾波器設計難度增加、生產成本提高，而且會增大濾波器通帶的插入損耗。謝懿非等[13]提出了另外一種帶外抑制調整方法，在負耦合結構的表面引入金屬缺口，通過改變缺口的位置實現濾波器的帶外抑制調整，這種方法可以實現濾波器傳輸曲線的對稱性調整，但金屬缺口的引入會產生電磁泄漏，導致插入損耗也會隨之增大。

本文設計了能夠形成容性CQ 結構單元的負耦合和正耦合結構，為六腔濾波器引入一對傳輸零點。在不改變腔體數量、耦合結構、增加插入損耗的條件下，提出了一種能夠有效調節傳輸曲線的對稱性，實現濾波器近端和遠端帶外抑制調整，滿足高抑制場景應用需求的解決方案。本文采用耦合通槽分別與深、淺耦合盲孔的組合結構來滿足濾波器的正、負耦合帶寬要求；通過調整交叉耦合通槽的相對位置偏移量實現傳輸零點位置微調，改善傳輸曲線對稱性；通過改變交叉耦合通槽的長度調整濾波器的近端、遠端帶外抑制，實現高帶外抑制特性。基于以上的耦合結構和設計思路，本文設計了一款六腔陶瓷波導濾波器，運用HFSS 仿真軟件討論了交叉耦合通槽的相對位置和長度變化對傳輸零點位置以及濾波器帶外抑制特性的影響規律。經過反復優化調整，最終設計出滿足性能指標要求的六腔陶瓷波導濾波器，并制備出相應的樣品。測試結果表明，樣品的測試結果與仿真結果吻合良好。

2 陶瓷波導濾波器設計理論

在設計濾波器時，濾波器可看成由多個諧振腔組成，諧振腔之間的相互耦合形成工作通帶。此外，首尾2 個諧振腔與端口之間還存在端口耦合，會影響濾波器的傳輸特性。

本文將采用基于腔體諧振頻率、級間耦合帶寬和外部品質因數的設計方法，實現陶瓷波導濾波器的設計。濾波器的腔體諧振頻率可通過本征模法計算得到，腔體的級間耦合系數和耦合帶寬的計算式分別為

其中，K表示耦合系數，f1和f2分別表示耦合諧振腔的上諧振頻率和下諧振頻率，CBW 表示耦合帶寬[14]。

通常情況下，源、負載與相鄰諧振腔之間的耦合量可采用外部品質因數定量表示。外部品質因數是指終端電阻反射到第一個諧振腔得到的Q值，數值大小可通過S11（反射波與入射波的比值）的群時延計算得到。計算式為

其中，τmax為最大群時延，ω0為最大群時延對應的角頻率[15]。

為滿足濾波器的高帶外抑制要求，還需要在帶外引入傳輸零點，通過犧牲遠端的帶外抑制來提高近端的帶外抑制。綜合考慮陶瓷波導濾波器的生產工藝和成本要求，本文采用容性CQ 耦合結構來產生傳輸零點。

本文設計的六腔陶瓷波導濾波器拓撲結構如圖1 所示，其中4、5 腔體之間的耦合是電耦合，其余腔體之間的耦合為磁耦合，因此3、4、5、6腔體構成容性CQ 耦合結構單元，為六腔陶瓷波導濾波器引入一對傳輸零點[16]。

圖1 六腔陶瓷波導濾波器的拓撲結構

在實際負耦合結構設計中，濾波器4、5 腔體之間的負耦合結構由耦合通槽與深耦合盲孔組成，其中耦合盲孔的深度需要大于濾波器腔體高度的一半才能夠實現負耦合，這種結構的電耦合帶寬可通過調節耦合盲孔的深度和耦合通槽的長度進行調整，且調試精度較高，能夠滿足實際生產需求，結構如圖2 所示。

圖2 六腔陶瓷波導濾波器的負耦合結構

3 六腔陶瓷波導濾波器的設計

采用圖1 所示拓撲結構的陶瓷波導濾波器，其技術指標來源于國內某大型通信技術公司提出的5G 基站用陶瓷濾波器的技術要求，具體如下。

工作通帶：3.4～3.6 GHz（f0=3.5 GHz，BW=200 MHz）。

帶內插損≤1.2 dB，回波損耗≥16 dB。

阻帶抑制：3.2～3.3 GHz 和3.7～3.8 GHz 頻段的抑制≥51 dB，3.3～3.35 GHz 和3.65～3.7 GHz頻段的抑制≥25 dB。

本文設計的六腔陶瓷波導濾波器的模型整體尺寸為31 mm×17 mm×6 mm，陶瓷材料的相對介電常數為23.1。在濾波器的結構設計中，各諧振腔都設有調諧盲孔用以調節腔體的諧振頻率，腔體之間還設有耦合結構實現能量的耦合與信號的傳輸。其中4、5腔體之間是負耦合結構，其余腔體之間是正耦合結構；大部分腔體的正耦合結構都是采用耦合通槽實現，但考慮到濾波器的級間耦合帶寬要求，5、6 腔體之間的正耦合結構選用淺耦合盲孔與耦合通槽的組合，此時，淺耦合盲孔的深度需要小于濾波器腔體高度的1/3 才能夠實現正耦合，從而實現容性CQ 耦合結構的設計。濾波器還設有輸入輸出端口，實現信號的輸入與輸出。根據濾波器的技術要求和拓撲結構，本文利用濾波器設計軟件確定六腔陶瓷波導濾波器理論模型的相關參數，如表1 所示，其中，Freq 表示腔體諧振頻率，CBWnm表示腔體的級間耦合帶寬，數字下標表示腔體，Qex 表示外部品質因數。

表1 陶瓷波導濾波器理論模型的相關參數

參照理論模型的相關參數，本文首先在HFSS軟件中建立單腔陶瓷波導諧振器模型，采用本征模法計算單腔諧振頻率，確定調諧盲孔深度；然后在此基礎上建立六腔陶瓷波導濾波器的耦合結構模型，利用Y 矩陣法計算諧振器之間的耦合帶寬，確定各個耦合結構參數；最后建立濾波器的饋電結構模型，利用群時延法計算外部品質因數，確定饋電結構參數。計算結果表明，濾波器的腔體諧振頻率隨著調諧盲孔深度的增加而減小，計算結果如圖3 所示；濾波器的磁耦合帶寬隨著耦合通槽長度的增加而減小，計算結果如圖4 所示；在負耦合結構中，當耦合盲孔的深度大于濾波器腔體高度1/2 時，耦合結構的電耦合帶寬隨著耦合盲孔深度的增加而增加，計算結果如圖5 所示；在5、6 腔體之間的正耦合結構中，當耦合盲孔的深度不大于濾波器腔體高度的1/3 時，磁耦合帶寬隨著耦合盲孔深度的增加而增大，計算結果如圖6 所示；外部品質因數與饋電深度的關系如圖7所示，根據計算結果可以確定端口的尺寸。

圖3 腔體諧振頻率與調諧盲孔深度的關系曲線

圖4 磁耦合帶寬與耦合通槽長度的關系曲線

圖5 電耦合帶寬與耦合盲孔深度的關系曲線

圖6 磁耦合帶寬與耦合盲孔深度的關系曲線

圖7 外部品質因數與端口尺寸關系曲線

根據以上計算方法確定濾波器的結構參數初值，可以得到濾波器的濾波曲線，不過與理想濾波曲線相差較大，還需對濾波器各結構參數進一步優化。本文采用參數提取法來優化濾波器的結構參數，實現最佳的濾波特性。在參數提取優化過程中，本文首先確定了仿真模型的腔體諧振頻率、耦合帶寬等參數與理論模型參數之間的誤差分布，并根據該誤差分布不斷優化濾波器的調諧盲孔、耦合結構等結構參數，縮小仿真模型與理論模型之間的參數誤差，最終實現仿真模型的濾波特性曲線與理論模型一致。濾波器的結構如圖8～圖10 所示。表2 為結構參數優化后濾波器的物理尺寸。

圖8 六腔陶瓷波導濾波器的立體結構

圖9 六腔陶瓷波導濾波器的俯視圖

圖10 六腔陶瓷波導濾波器的主視圖

4 六腔陶瓷波導濾波器的仿真優化

六腔陶瓷波導濾波器結構參數優化后的傳輸特性曲線如圖11 所示。其結構參數優化過程與第3 節所述相同。

仿真結果表明，濾波器的傳輸特性已經接近目標要求，但帶外抑制特性還存在一定差距。從傳輸曲線可以看出，通帶外兩側的曲線呈現明顯的不對稱現象。理論上，CQ 結構的傳輸曲線是對稱的。但是濾波器的工作帶寬較寬，耦合結構的實際耦合量隨頻率變化較明顯，導致陶瓷波導濾波器的傳輸曲線呈現明顯的不對稱現象。為了改善傳輸曲線的對稱性，本文仿真了交叉耦合通槽相對位置的偏移量對濾波器的傳輸特性產生的影響。

表2 六腔陶瓷波導濾波器的結構參數

圖11 六腔陶瓷波導濾波器結構參數優化后的傳輸特性曲線

通過多次仿真分析與結構參數優化調整可以發現，在調整交叉耦合通槽的長度滿足耦合帶寬不變的前提下，改變交叉耦合通槽的相對位置會引起通帶外傳輸零點位置的偏移，且兩側的傳輸零點位置偏移規律一致。當交叉耦合通槽相對中間位置左移時，傳輸零點位置向低頻處偏移；當交叉耦合通槽相對中間位置右移時，傳輸零點位置向高頻處偏移。傳輸零點位置的偏移對濾波器通帶外近端的帶外抑制特性影響較小，卻會顯著影響通帶外遠端的帶外抑制特性。傳輸零點位置左移，低頻處遠端的帶外抑制增強，但高頻處的遠端帶外抑制減弱；傳輸零點位置右移，低頻處遠端的帶外抑制減弱，高頻處的遠端帶外抑制增強。圖12 中給出了交叉耦合通槽位于中間位置、交叉耦合通槽相對中間位置向右偏移0.5 mm、交叉耦合通槽位于最右端與另外耦合通槽相連、交叉耦合通槽相對中間位置向左偏移0.5 mm 以及交叉耦合通槽位于最左端與另外耦合通槽相連時濾波器仿真模型的|S21|曲線。

圖12 交叉耦合通槽相對位置偏移后的傳輸曲線

為了更清楚地表示不改變交叉耦合量的前提下，調整交叉耦合通槽的相對位置對傳輸零點位置以及濾波器帶外抑制特性產生的影響，本文對交叉耦合通槽位于不同位置下濾波器仿真模型的傳輸零點位置、通帶外近端和遠端的帶外抑制都進行了定量表示，相關參數指標如表3 所示。其中，低頻處的遠端頻段范圍為3.2～3.28 GHz，低頻處的近端頻段范圍為3.28～3.35 GHz，高頻處的近端頻段范圍為3.65～3.72 GHz，高頻處的遠端頻段范圍為3.72～3.8 GHz。

在不改變交叉耦合量的條件下，調整交叉耦合通槽的相對位置能夠有效改善傳輸曲線的對稱性，提高濾波器的遠端帶外抑制特性。根據偏移規律可以進一步仿真確定，當交叉耦合通槽相對中間位置向右偏移0.25 mm 時，濾波器的對稱性最佳，遠端處的帶外抑制可接近58 dB。為了進一步提高濾波器近端的帶外抑制，本文還對交叉耦合通槽的長度對濾波器傳輸特性產生的影響進行仿真分析。

表3 交叉耦合通槽位于不同位置下的相關參數指標

仿真結果表明，當交叉耦合通槽的長度發生變化，交叉耦合量也會隨之變化且濾波器通帶外近端和遠端的帶外抑制都會發生顯著變化。當耦合通槽的長度變長，交叉耦合量減小，通帶外兩側的傳輸零點位置遠離中心頻率，濾波器遠端帶外抑制增強，但近端的帶外抑制減弱；當耦合通槽的長度變短，交叉耦合量增加，傳輸零點位置靠近中心頻率，濾波器遠端的帶外抑制減弱，近端的帶外抑制增強。交叉耦合通槽的長度變化對濾波器的傳輸特性影響如圖13 所示。

圖13 交叉耦合通槽的長度變化對濾波器的傳輸特性影響

本文同樣定量表示交叉耦合通槽的長度變化對傳輸零點位置以及濾波器的帶外抑制影響，并標記了不同長度的交叉耦合通槽濾波器仿真模型的傳輸零點位置、通帶近端和遠端的帶外抑制，相關參數指標如表4 所示。其中，低頻處的遠端范圍為3.2～3.28 GHz，低頻處的近端范圍為3.28～3.35 GHz，高頻處的近端范圍為3.65～3.72 GHz，高頻處的遠端范圍為3.72～3.8 GHz。

根據仿真分析得到的規律，可以在保證遠端帶外抑制滿足技術指標的前提下，調整交叉耦合通槽的長度，進一步提高濾波器的近端帶外抑制。六腔陶瓷波導濾波器最終仿真模型的交叉耦合通槽長度為2.67 mm。

5 六腔陶瓷波導濾波器測試結果

根據仿真模型結構參數，可以制備得到六腔陶瓷波導濾波器樣品。濾波器樣品的材料相對介電常數為23.1，整體尺寸為31 mm×17 mm×6 mm。使用安捷倫矢量網絡分析儀E5071C 對陶瓷波導濾波器樣品進行性能測試，仿真與測試結果如圖14所示。在樣品測試中，濾波器的中心頻率為3.5 GHz，工作通帶為3.4～3.6 GHz，插入損耗≤ 1.2 dB，回波損耗≥17 dB；3.2～3.3 GHz 和3.7～3.8 GHz的阻帶抑制≥51 dB，3.3～3.35 GHz 和3.65～3.7 GHz的阻帶抑制≥25 dB，各項性能指標均滿足預期目標要求。

圖14 六腔陶瓷波導濾波器的傳輸特性仿真與測試曲線

表4 不同交叉耦合通槽長度的相關參數指標

表5 六腔陶瓷波導濾波器與目前基站濾波器之間的性能比較

對比仿真結果與實物測試結果發現，二者之間吻合性良好，驗證了設計方案的正確性和可行性。但在通帶的回波損耗、傳輸零點位置以及帶外抑制等方面，二者仍存在一定偏差，這主要是由仿真模型的理論計算誤差、陶瓷制備過程尺寸控制精度以及在濾波器性能調試階段對銀層的刻蝕這3 個方面所引起的。在HFSS 仿真模型中，陶瓷材料和邊界條件都是理想狀態，但實際陶瓷材料的微波介電性能和銀層的電導率達不到理想狀態；此外，陶瓷波導濾波器的結構參數尺寸精度要求較高，但實際生產加工精度距離目標要求存在一定差距；最后，在陶瓷濾波器性能測試和調試階段，需要對陶瓷表面銀層進行部分刻蝕以實現濾波曲線的最優化，這也會產生一定誤差。

表5對比了本文設計的六腔陶瓷波導濾波器與目前基站濾波器之間的性能差異。從表5 對比中可以看出，本文的陶瓷波導濾波器具有小體積、低損耗和高帶外抑制特性等獨特優勢，能夠滿足5G 基站濾波器的輕量化、高性能等要求，具有良好的應用前景。

6 結束語

本文從理論上介紹了陶瓷波導濾波器的設計理論和相關耦合結構，在此基礎上設計并制備了一款六腔陶瓷波導濾波器。通過引入耦合通槽分別與淺、深耦合盲孔的組合結構，形成容性CQ耦合單元，從而產生一對傳輸零點，提高了濾波器的帶外抑制。通過調整交叉耦合通槽的相對位置偏移量，可以有效改善傳輸曲線的對稱性，提高濾波器的遠端帶外抑制特性；同時，調整交叉耦合通槽的長度可以顯著影響傳輸零點的位置，實現通帶近端和遠端的帶外抑制調整。樣品的測試結果也進一步驗證了設計方案的正確性與可行性，以及六腔陶瓷波導濾波器的優異性能。本文設計的六腔陶瓷波導濾波器結構簡單、體積小、性能優異，能夠滿足5G 基站濾波器的性能要求，擁有良好的應用前景。