介质波导双模滤波器设计的一种方法

lukaisi

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：

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：

3.2 耦合带宽以及输入输出QL

3.3 HFSS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：

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

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。