張忠祥， 陳 暢， 吳先良

(1.合肥師范學院物理與電子工程系，安徽合肥 230601;2.中國科學技術大學電子工程與信息科學系，安徽合肥 230041)

目前，個人移動通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)飛速發(fā)展，對通信系統(tǒng)中的濾波器提出了高性能化和小型化的要求。隨著微波介質陶瓷材料的性能和穩(wěn)定性的不斷提升，介質諧振器在微波系統(tǒng)中已獲得越來越廣泛的應用，例如濾波器、雙工器和振蕩器等。在移動通信系統(tǒng)中，金屬同軸腔濾波器和介質濾波器都有廣泛的應用，金屬腔同軸諧振器和濾波器具有低成本、頻率可調節(jié)范圍寬和高次模遠離主模等特點[1，2]，而介質諧振器和濾波器具有高Q值、低損耗和溫度穩(wěn)定性高等特點[3-5]。

金屬同軸腔諧振器的單腔無載Q值低于介質諧振器的主要原因，在于其內部諧振桿在諧振時其金屬表面需要消耗附加損耗。鑒于橫電模(TE)介質諧振器的電場和磁場的分布特點，TE模介質諧振器的單腔無載Q值要高于橫磁模(TM)介質諧振器和金屬同軸腔諧振器，但是其單腔外形尺寸要遠遠大于上述2種諧振器的單腔尺寸，所以TE模介質諧振器一般應用于對濾波器性能要求很高而對外形尺寸沒有太高要求的場合。對于傳統(tǒng)的TM模介質諧振器，其諧振器的上端面和下端面均金屬化，短接于金屬腔體的底部和上蓋板，由于在腔體的底部與蓋板間強電場的存在，引起金屬表面損耗較大，即使采用的微波介質材料本身的損耗非常低，TM模介質諧振器的單腔無載Q值的提升也受到限制[6，7]。

本文給出了一種新型的TM模介質諧振器結構，只對其底部進行金屬化處理，頂部端面開路與腔體的上蓋板間形成一個空氣間隙。該結構的TM模介質諧振器的單腔無載Q值要高于傳統(tǒng)的TM模介質諧振器和金屬同軸腔諧振器;同時其諧振腔外形尺寸要小于上述2種諧振器的諧振腔外形尺寸，與金屬同軸腔諧振器結構相比，在水平面上可以節(jié)省約30%的產品外形尺寸。本文所提的新型TM模介質諧振器結構形式，可以對現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中的金屬同軸腔濾波器和雙工器進行完全或者部分的替代。本文最后給出了一個第3代寬帶碼分多址(WCDMA)通信系統(tǒng)中的8腔3傳輸零點的新型TM模介質濾波器設計實例，其測試結果與仿真結果吻合。

1 TM模介質諧振器

新型TM模介質諧振器的典型結構如圖1所示，介質諧振器底部安裝在一個矩形立方體或者圓柱體的諧振腔體內，且介質諧振器中間有一個內孔，用來對諧振頻率進行一定范圍內的調節(jié)。介質諧振器的外形可以為圓柱、矩形柱，或者橫截面為便于機加工與模具處理的各種圖形。為了提高諧振器的單腔無載Q值和減小諧振器的外形尺寸，本文選擇介電常數(shù)為45的微波介質陶瓷材料，其材料的Q f=45 000。

圖1 新型TM模介質諧振器結構和場強分布示意圖

同時，圖1給出了新型TM介質諧振器的電場和磁場的分布示意圖。

圖1a為諧振器的磁場分布情況，圖1c為諧振器的電場分布情況。

在圖1中可以看出，其磁場只分布在水平面內，環(huán)繞著介質諧振器形成一個封閉的圓環(huán);而電場則垂直于水平面，從上往下形成近似直線的分布。由圖1所示場強分布情況，可以看出該諧振器工作在TM模式，是一種新型TM模介質諧振器。

以第3代WCDMA移動系統(tǒng)中下行頻帶中心頻率2 140MHz的單腔諧振器為例，表1給出了金屬同軸腔諧振器和新型TM模介質諧振器的腔體結構參數(shù)和諧振頻率與單腔無載Q值的計算結果，由于在設計中沒有考慮頻率調節(jié)部件的影響，所以一般選擇其諧振頻率要高于目標頻率。從表1可以看出2種諧振器在其諧振頻率基本一致和單腔無載Q值不低于金屬同軸腔的前提下，TM模介質諧振器的水平面單腔尺寸只有傳統(tǒng)金屬同軸腔外形尺寸的70%左右，可以很好地應用于對腔體外形尺寸有小型化需求的情況。

表1 金屬同軸腔與TM介質諧振腔相關參數(shù)對比

在基于選擇的介電常數(shù)為45的微波介質陶瓷材料的基礎上，圖2給出了表1中所示的TM模介質諧振器的單腔測試曲線，其測試結果諧振頻率在2.341 4 GH z，3 dB帶寬為664.843 kH z，通帶損耗S21為-22.015 dB，單腔無載Q值為3 536，與表1所列的仿真計算結果相吻合。

圖2 TM模介質諧振器單腔測試曲線

2 濾波器小型化應用

作為TM模介質諧振器的小型化設計應用，本文給出了一個WCDMA移動系統(tǒng)中工作帶寬為2 110～2 170 MH z的8腔3傳輸零點的廣義切比雪夫模型的帶通濾波器設計實例。耦合矩陣為(1)式所示[8-10]，矩陣中對角線上數(shù)值為濾波器相應單腔的諧振頻率，非對角線上數(shù)值為相應腔體間的耦合系數(shù)。TM介質諧振器的單腔腔體外形尺寸為22 mm×22 mm×20 mm。

為提高TM模介質諧振的帶外抑制特性，在TM模介質濾波器的輸入腔和輸出腔采用傳統(tǒng)的金屬同軸腔結構，該TM模介質濾波器結構示意圖如圖3所示。

在圖3中，正耦合系數(shù)分別通過級聯(lián)腔體間的窗口和非級聯(lián)交叉腔體間的蓋板上的短路探針來實現(xiàn)，諧振器頻率的精細調節(jié)通過蓋板上的調諧螺桿來進行。

圖3 8腔3傳輸零點TM模介質濾波器結構示意圖

利用全波電磁場仿真軟件ANSOFT-HFSS，對圖3所示TM模介質濾波器的諧振器尺寸、耦合窗口寬度以及短路探針的長度等參數(shù)進行初值計算，利用ANSOFT-HFSS和ANSOFT-Designer相結合進行協(xié)同優(yōu)化仿真，對參數(shù)進行優(yōu)化調節(jié)以滿足產品的性能指標要求。

優(yōu)化響應曲線如圖4所示，在工作頻帶2 110～2 170MHz，其輸入與輸出端口回波損耗小于-20 dB或者端口駐波比VSWR小于1.2，插入損耗在頻率2 170 MHz處小于-1.35 dB，在頻率2 110 MHz處-0.8 dB，在頻率高于2 190 MH z處帶外抑制大于-90 dB。

圖5所示為新型TM模介質濾波器的實物照片，在保持性能指標不變的前提下，其產品的外形尺寸較傳統(tǒng)金屬同軸腔濾波器在水平面上節(jié)省了大約30%，為移動通信系統(tǒng)中腔體濾波器的小型化設計提供了一種新的方法。

圖4 介質濾波器優(yōu)化響應曲線

圖5 TM模介質濾波器實物照片

從圖5中可以看出，介質諧振器下端安裝在濾波器的腔體底部，輸入和輸出腔體采用了傳統(tǒng)的金屬同軸腔諧振器結構，3個傳輸零點的位置在2-4腔體、4-6腔體和6-8腔體間分別實現(xiàn)。

TM模介值濾波器測試曲線如圖6所示，其通帶2 110～2 170 MH z內端口駐波比VSWR小于1.2，插入損耗在頻率2 170 MHz處，小于-1.41 dB，在頻 率 2 110 MHz處小于-0.85 dB，在高于2 190 MH z處帶外抑制大于-90 dB?？紤]到接插件的連接損耗，其測試結果與仿真結果非常吻合，證明了設計方法和模型仿真優(yōu)化的正確性。

圖6 TM模介質濾波器測試曲線

3 結束語

本文給出了一種新型TM模介質諧振器和介質濾波器，該介質諧振器下端安裝在濾波器腔體的底部，上端與濾波器的腔體蓋板間有一個空氣間隙，在更小的腔體內以獲得較傳統(tǒng)TM模介質諧振器更高的單腔無載Q值;同時給出了該結構介質諧振器的場強分布圖，以及單腔特性參數(shù)的仿真計算。最后，本文給出了一個8腔3傳輸零點的TM模介質濾波器設計實例，外形尺寸較傳統(tǒng)金屬同軸腔濾波器在水平面上節(jié)省約30%。其測試結果與仿真結果吻合，證明了該方法的正確性和可行性，為移動通信系統(tǒng)中濾波器的小型化應用提供了一種可行的途徑。

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