一种介质波导双模滤波器设计方法

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前言:本文旨在介绍一种简单的介质波导双模滤波器设计方法,用以指导滤波器工程师设计基站介质波导滤波器。
 
一:简介
       
随着通信系统设备小型,轻量化,高性能的发展,对前端频率选择性器件也提出了更高要求。伴随5G通信系统标准的逐步确定,高性能,小体积,轻量化的介质波导滤波器时最佳选择。
     
本文介绍了一种介质波导双模滤波器的设计方法,供经验不多的滤波器设计工程师学习,高手跳过。
 
二:介质波导滤波器介绍
       
本文讲解的介质波导滤波器,基于TE模的介质波导双模滤波器Q值高,损耗小,功率容量大等优点。因此,在设计此类双模滤波器时,以往的多端口计算设计方法是否可以沿用,是本文讨论的重点。
           
下图为单谐振器中的四个模式:
1
 
通过以上电场分布图可以观察到,单腔双模,单腔三模可以自由选择。在高次模出现的频率点上,通过选择介电常数,与控制谐振腔尺寸,对高次模进行优化。尽量拉远高次模出现的频率,减小对通带的影响。
 
三:设计过程
       
3.1多模滤波器的设计,通带电性能的评估,和单模的评估是一样的,只是在Q值的评估中,多模的Q值是要高于单模的,这个可以根据本征模的仿真中观察到。下图为一个双腔4模滤波器的原理评估仿真结果:
                                                 
2
 
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3.2耦合带宽以及输入输出QL
 
4
 
3.3HFSS中计算输入输出耦合
   
在HFSS中计算输入输出耦合,可以用对位延时大小来初步确定输入输出耦合强弱。模拟中连接器探针的插入方向,需要顺着某一个模式的电场方向。如下图所示:
5
 
在确定输入输出耦合时,因第二模式或者第三模式的影响,需要分离其他模式。此处因存在1,2模式之间的耦合,所以延时波形为双峰。可以采取频率分离的方法,减小第二模式对第一模式的影响。
 
3.4耦合带宽与频率的计算
   
此处选择多端口提取方法,在HFSS中提取谐振频率,耦合带宽储值
 
此处仿真时,需要特别注意端口的简历方式,需要顺着电场的方向。在计算耦合带宽时,能同时观察到滤波器通带谐波出现的频率点,通过合理选择耦合窗口的大小,开口方向,尽量降低高次模谐波幅度。
 
3.5滤波器通带计算与优化
 
 
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对高阶多模滤波器的优化计算,通常采用两端口S参数提取方法,也有用空间映射,遗传算法等。因此,合理的选择优化方法可以加快设计速度,节约时间,缩短滤波器开发周期。
 
总结:以上简单介绍了一种多模介质波导滤波器的设计过程,在5G通信系统中具有体积小,重量轻,性能优等优势,相信在5G通信中的应用会更加广泛。关于介质波导滤波器的设计,欢迎各位交流。
 
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