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[案例赏析]参赛案例：5G N78频段陶瓷介质滤波器设计

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0楼发表于: 2022-12-22 18:36:15

参赛案例：5G N78频段陶瓷介质滤波器设计

一、背景介绍及摘要

传统的金属波导滤波器体积庞大，重量高，生产成本高，同时不利于安装和运输。通信系统飞速发展，插损低，抑制高，成本低，小型化的滤波器逐渐成为设计者们的追求。采用高介电常数的陶瓷材料所制成的小型化介质滤波器，各种性能都优于传统金属腔体滤波器。本案例使用HFSS设计了一种电容性交叉耦合结构的陶瓷介质滤波器，该滤波器内部填充陶瓷材料（Dk=21，Df=0.00014），表面采用镀银工艺进行金属化。CQ拓扑结构在滤波器的上、下频段产生两个传输零点，以提高带外抑制能力。该滤波器由六个相同的矩形陶瓷谐振腔组成，谐振腔上的调谐孔的深度调整谐振频率，通过调整谐振腔之间的耦合窗口的大小来控制耦合系数。最后，使用HFSS设计了一个工作在N78频段（3.4GHz~3.6GHz），带内的回波损耗大于20.37dB，插入损耗小于0.85dB的六阶陶瓷介质滤波器，其大小为31.42mm×20.6mm×5.00mm（0.37λ×0.24λ×0.06λ）。

二、设计步骤

1）根据指标确定滤波器的阶数和拓扑结构，利用滤波器综合软件Filter Designer 3D得到理想的归一化耦合矩阵M；

【图1】

2）设计单个谐振腔，加入调谐孔；

3）利用人工调谐和HFSS的自动优化，依次设计：一腔→二腔→三腔→六腔滤波器，确定各个参数的大致范围；

4）在六腔基础上，在2-5之间加入容性孔耦合，引入传输零点；

5）利用HFSS和Filter Designer 3D提取耦合矩阵，根据误差矩阵调节参数。

三、设计分析

（1）感性耦合分析

谐振腔之间的电感耦合可以通过一个电感膜片来实现。以双腔感性耦合为例，在HFSS中建立两个谐振腔，并对电感膜片的长度（WC）和宽度（W）进行参数扫描。

【图2】

1）两个谐振腔的电感膜片的WC增加，耦合系数也增大；WC从4mm改变到8mm时，耦合系数改变了0.07；WC在很大范围内改变耦合系数。

2）随着两个谐振腔的电感膜片的W增加，耦合系数减小；W从0.8mm变为1.2mm时，耦合系数变化为0.009；W可以轻微改变耦合系数。

通常选择调整电感膜片的WC来调整耦合系数。

（2）容性耦合分析

对于谐振腔之间的电容耦合，它可以通过耦合孔来实现。以双腔电容耦合为例，在HFSS中建立两个谐振腔，并对耦合孔的深度（HX）进行参数化扫描。

【图3】

1）当两个谐振腔的耦合孔的深度HX小于2.5mm时，耦合系数为正数，是感性耦合。

2）当耦合孔的深度HX大于2.5mm时，耦合系数是负数，这是容性耦合，耦合孔的深度HX增加，耦合系数减小。

可以调整耦合孔的深度HX来调整容性耦合系数的大小。

（3）端口耦合分析

外部耦合采用群时延法，谐振时群时延的最大值，探针的深度和位置影响耦合量。采用某公司的标准SMA馈电，馈入深度固定，对探针的偏离量Py进行仿真。

【图4】

同轴探针位置偏离中心越远，群时延越大，同时谐振频率略微向高频移动。

三、仿真模型及结果

使用设计了一个具有电容性交叉耦合的CQ拓扑结构的六阶陶瓷介质滤波器，陶瓷的损耗正切和介电常数分别为0.00014和21。滤波器的尺寸为31.42mm×20.60mm×5.00mm。

【图5】

滤波器的中心工作频率是3.5GHz，其带宽为200MHz，带内的回波损耗大于20.37dB，带内插入损耗小于0.85dB，两个传输零点的频率分别为3.38GHz和3.65GHz。

【图6】

四、参考文献

[1] Z. Du, JinPan,M. Boyuan and X. Ji, A Modified Capacitive Cross-Coupling Structure forCeramic-Filled Cavity Filters[C]//2021 International Conference on Microwaveand Millimeter Wave Technology (ICMMT), Nanjing, China, 2021, pp. 1-3.

[2] Z. Du, J. Pan,M. Boyuan and X. Ji, A Capacitive Cross-Coupling Structure for Ceramic-FilledCavity Filters[C]//2021 Internat ..

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amy_wang

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2022-12-25

离线浪子zz

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