具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。

参照图1，本发明实施例提供一种5G频段腔体滤波器100，包括输入端口101、输出端口102、输入耦合装置103、输出耦合装置104、多个谐振器105、多个调谐装置106和腔体107；所述输入端口101与所述输入耦合装置103连接，所述输出端口102与所述输出耦合装置104连接，多个所述谐振器105和多个所述调谐装置106设置在所述腔体107内，所述调谐装置106包括第一调谐装置106-1和第二调谐装置106-2；

所述输入端口101用于接收原始信号；

所述输出端口102用于输出经多个所述谐振器105处理后的信号；

所述输入耦合装置103用于控制所述输入端口101与第一谐振器之间的耦合，所述第一谐振器为与所述输入端口101相邻的谐振器；

所述输出耦合装置104用于控制所述输出端口102与第二谐振器之间的耦合，所述第二谐振器为与所述输出端口相邻的谐振器；

多个所述谐振器105用于产生不同的谐振频率；

所述第一调谐装置106-1用于调整所述谐振器105产生的谐振频率在5G频段内；

所述第二调谐装置106-2用于调整所述谐振器之间的耦合系数。

本实施例中，所述谐振器选用圆柱形金属谐振器，根据要设计的5G频段腔体滤波器的频段，使用一种对称的结构，理论计算所得的初步物理尺寸后，通过电磁仿真软件的结果与计算结果对比，最终Q值可达2500以上，基频谐振频率分别为3.516GHz，相邻高次谐振频率为13.779GHz，基频基本与5G频段(3300MHz～3600MHz)一致，而高次谐振频率离基频较远，对基频的影响较小。通过在5G频段腔体滤波器中加入多个圆柱形金属谐振器，且在圆柱形金属谐振器之间引入耦合，实现多阶滤波器的设计，从而提高5G频段腔体滤波器的带外抑制能力，多个圆柱形金属谐振器之间采用空间耦合，可增强谐振器间的耦合能力，节省滤波器的体积。同时，精确设计输入端口、输出端口等参数，使得5G频段腔体滤波器具有较好的驻波比(SWR)，具有极高的带外抑制能力，极低的带内插入损耗(IL)，从而能够改善5G系统通信易受外界干扰、通信速率可能存在不稳定的问题，可以提高5G用户对无线网络的体验感，能促进5G系统网络的推广建设。腔体107采用金属腔体，使用普通金属CNC加工方式，降低金属腔体加工成本。最终设计的5G频段腔体滤波器体积较小，仅为9mm×50mm×10mm。

本实施例中，输入信号功率高达100W，因此将谐振器设计成具有较高的功率承受能力和较小的体积，其中，各谐振器产生的谐振频率的计算可以使用等效电路求解其非线性方程的方法获得，具体地，如图2(a)所示的单腔模型，可等效为图2(b)的S矩阵网络，在金属谐振圆柱两侧，据参考面(腔体)分为为d1和d2的位置放置理想导电壁(PEC)，将金属圆杆的S矩阵[SP]与两端长为d1和d2的矩形波导级联，获得等效S矩阵[St]，在腔体两端采用PEC终端条件，求解相应非线性方程即可得到单腔的谐振频率。而所述金属谐振器的谐振频率可通过电容加载实现频率调整，可以动态改变谐振频率，因此，基于同一个设计方案所设计的谐振器，可以调整谐振频率，使用在不同的滤波频段上。谐振器的Q值可以通过谐振器上半圆柱的高度进行一定的改变，在加入外部腔体后会影响到谐振器的Q值，通过适当调整外部腔体的结构和大小可以调整Q值。由于方程计算较复杂，采用计算机仿真的方式可以获得求谐振频率。计算出谐振频率之后，可进一步计算出谐振器之间的耦合系数，其中，耦合系数的计算公式为：式中，f₁中表示谐振器1的谐振频率，f₂表示谐振器2的谐振频率，k表示谐振器1与谐振器2之间的耦合系数。当然，谐振器可以是圆柱形、矩形或者其他形状；谐振器的谐振频率调谐可以通过调谐金属柱，也可以是介质柱，可以在上半圆柱设置调谐装置，也可以在下半圆柱设置调谐装置，其谐振频率可以根据实际滤波器的要求进行调整。由于谐振器的个数与5G频段腔体滤波器的带外抑制能力及插入损耗相关，设置在5G频段腔体滤波器中的金属圆柱形谐振器可以是5个，也可以是7个或其他任意多个，但虽然金属圆柱形谐振器个数越多，5G频段腔体滤波器的带外抑制能力会越高，但同时5G频段腔体滤波器的插入损耗也会变大，调谐难度变大大，速度变慢，仿真也需要更大的内存和CPU处理能力。因此，圆柱形金属谐振器个数的设置一般根据5G频段腔体滤波器的设计指标确定，并不是越多越好。

进一步地，所述谐振器105为金属谐振器或者介质谐振器，所述谐振器105为圆柱形或者正方体；所述谐振频率由所述圆柱形的直径或者正方体的边长决定。

参照图3，本实施例中，谐振器选用普通铝材料，谐振器由上半部分和下半部分组成，上半部分的直径(D1)比下半部分的直径(D2)小，上半部圆柱形的高度(H1)和下半部圆柱形的高度(H2)对谐振器的谐振频率和Q值均有影响，具体地，参照图4，由图4可知，上半部圆柱形的高度(H1)对谐振器主模的谐振频率影响基本呈线性关系；参照图5，由图5可知，上半部圆柱形的高度(H1)对谐振器主模Q值的影响基本也呈线性关系。

具体地，本实施例中，根据驻波法分析确定金属谐振器的基本参数，不能够设计金属谐振箱的基本尺寸为上半圆柱直径(D)2.4mm，高度(H)为10.6mm，下半圆柱直径(D)3.5mm，高度(H)为2.5mm，将金属谐振器参数模型放入HFSS仿真，可得多个模式的谐振频率和Q值的对应关系，可将其中谐振频率接近5G频段(3.5GHz)的模式定为基模(主模)，将谐振频率均远大于基模的模式定为高次模，高次模对基模的影响较小，基模的Q值为2804。

进一步地，多个所述谐振器105之间采用空间耦合的方式进行耦合。

本实施例中，基于耦合理论，谐振器与谐振器间的耦合采用空间直接耦合的方式，可以提高谐振器间的紧凑性，减小滤波器整体的体积，但会增大调试难度，为了便于5G频段腔体滤波器的调试，可分析谐振器的基模的电磁场分布特性，利用高频电磁场仿真软件建立模型，分析基模的电场分布，比如，如果通过分析基模的电场分布得到从左到右，第1、3、5谐振器的上下圆柱交叉的地方电场较强，因此，可在调谐的时候，考虑重点调谐第1、3、5谐振器。

进一步地，所述腔体107为金属矩形腔体，所述圆柱形的直径或者正方体的边长不超过所述金属矩形腔体的宽边。

本实施例中，腔体107采用金属腔体，并设计成矩形，使用普通金属CNC加工方式，可降低金属腔体加工成本，最终设计的腔体的体积较小，仅为9mm×52mm×12mm。

进一步地，所述第一调谐装置和所述第二调谐装置为金属螺杆或介质螺杆；所述金属螺杆或介质螺杆的长度由耦合系数决定；当所述第一调谐装置和所述第二调谐装置为介质螺杆时，在所述介质螺杆的外层电镀铜或银。

本实施例中，所述5G频段腔体滤波器的第一调谐装置用于调整谐振频率，其为金属螺杆或介质螺杆，其长度由调谐所需的谐振频率决定，可以为正方体结构，也可以为圆柱形结构，第一调谐装置的直径和边长会影响谐振频率，由谐振频率的大小决定其直径和边长，但第一调谐装置直径或边长的不能大于5G频段腔体滤波器腔体的宽边；所述5G频段腔体滤波器的第二调谐装置用于调整所述谐振器之间的耦合系数，其也为金属螺杆或介质螺杆，其长度由调谐所需的耦合系数决定，其可以为正方体结构，也可以为圆柱形结构，直径和边长会影响耦合强度，由耦合系数的大小决定其直径和边长，但不能大于5G频段腔体滤波器腔体的宽边。第二调谐装置的数量可以是1个也可以是多个，可以在5G频段腔体滤波器的外部施加，也可以在腔体内部施加，调谐量大小可以根据实际滤波器的需要设定；第二调谐装置可以设置在个相邻谐振器之间，也可以设置在输入耦合装置与相邻谐振器之间及输出耦合装置与相邻谐振器之间，耦合系数的调整大小参考其理论计算出的耦合系数，同时参考实际滤波器的指标参数，第二调谐装置可以是金属小圆柱，也可以是非金属小圆柱，第二调谐装置可以安装在5G频段腔体滤波器的顶面，也可以安装在5G频段腔体滤波器的底面。

本实施例中，最终设计出的5G频段腔体滤波器的中心频率为3.45GHz，带宽为100MHz，回波损耗大于28.9dB(一般指标为12dB)，插入损耗小于0.24dB(一般指标为1dB)，驻波比小于1.07(一般指标为1.6)，带外20MHz(3.20GHz)衰减46dB，体积为9mm×52mm×12mm；本实施例设计出的5G频段腔体滤波器的带外抑制能力强，整体性能远优于同类滤波器，可以提高系统的抗干扰性能，提高系统可靠性。

本发明实施例所述5G频段腔体滤波器具有以下技术效果：

本发明实施例所述的5G频段腔体滤波器为5G系统射频部分提供了良好的信号选择，可以解决5G通信系统易受外界干扰、通信速率不稳定的问题，可以提高5G系统的通信距离和通信容量，改善通信质量，提高5G系统用户对无线网络的体验感，推动5G系统网络的推广建设，促进通信事业的发展。

参照图6，本发明实施例提供一种5G频段腔体滤波器的设计方法，包括但不限于以下步骤：

S1.确定所述5G频段腔体滤波器的第一设计指标，所述设计指标包括所述5G频段腔体滤波器的频宽、带内插入损耗、带内回波损耗、驻波比、阶数、传输函数及整体结构；

S2.根据所述第一设计指标，利用求解切比雪夫函数，得到第一数值，所述第一数值为切比雪夫函数类型低通原型各电路元件的归一化元件值；

S3.根据所述第一数值和所述5G频段腔体滤波器的相对带宽，得到相邻谐振器间的耦合系数和5G频段腔体滤波器的外部品质因数；

S4.确定谐振器的第二设计指标，所述第二设计指标包括谐振器的材料、形状尺寸、谐振频率；

S5.根据所述相邻谐振器间的耦合系数确定所述谐振器之间的距离；

S6.根据所述第一设计指标、第二设计指标和谐振器的数量，通过高级射频仿真软件进行仿真，得到初步的仿真结果；

S7.将初步仿真结果进行微调、优化，得到5G频段腔体滤波器。

进一步地，步骤S1，也就是所述确定所述5G频段腔体滤波器的第一设计指标，具体为：

S101.设置所述5G频段腔体滤波器的频宽为5G频段，带内插入损耗不超过0.8dB，带内回波损耗超过25dB，驻波比不超过1.25；

S102.确定所述5G频段腔体滤波器的阶数和传输函数；

S103.确定所述5G频段腔体滤波器的整体结构包括输入端口、输出端口、输入耦合装置、输出耦合装置、多个谐振器、多个调谐装置和腔体；所述输入端口与所述输入耦合装置连接，所述输出端口与所述输出耦合装置连接，多个所述谐振器和多个所述调谐装置设置在所述腔体内；所述输入端口用于接收原始信号；所述输出端口用于输出经多个所述谐振器处理后的信号；所述输入耦合装置用于控制所述输入端口与第一谐振器之间的耦合，所述第一谐振器为与所述输入端口相邻的谐振器；所述输出耦合装置用于控制所述输出端口与第二谐振器之间的耦合，所述第二谐振器为与所述输出端口相邻的谐振器；多个所述谐振器用于控制所述原始信号中5G频段的信号通过；所述第一调谐装置用于调整所述谐振器产生的谐振频率在5G频段内，所述第一调谐装置为多个所述调谐装置中的一个；所述第二调谐装置用于调整所述谐振器之间的耦合系数，所述第二调谐装置为多个所述调谐装置中的一个。

进一步地，步骤S102中所述的传输函数的表达式为：

式中，|S₂₁(Ω)|表示从5G频段腔体滤波器的输入端口输入，输出端口输出的信号功率传输系数，IL(Ω)表示传输函数，Ω表示归一化角频率。

进一步地，所述从5G频段腔体滤波器的输入端口输入，输出端口输出的信号功率传输系数|S₂₁(Ω)|通过第一公式得到，所述第一公式为：式中，ε是5G频段腔体滤波器通带内的波纹系数，T_n(Ω)为切比雪夫函数；其中：

式中，L_Ar为5G频段腔体滤波器带内最大插入损耗；

式中，n表示5G频段腔体滤波器的阶数。

进一步地，步骤S3中所述相邻谐振器间的耦合系数通过以下公式计算得到：

式中，FBW表示5G频段腔体滤波器的相对带宽，K_i，i+1表示相邻谐振器间的耦合系数，g_i和g_i+1分别表示切比雪夫函数类型低通原型各电路元件的归一化元件值；

步骤S3中所述5G频段腔体滤波器的外部品质因数通过以下公式计算得到：

式中，Q_e表示5G频段腔体滤波器的外部品质因数，g₀为1，g₁表示切比雪夫函数类型低通原型电路第1个元件的归一化元件值；

其中，式中，f₂表示下限截止频率、f₁表示上限截止频率、f₀表示中心频率。

具体地，本实施例中，在确定滤波器的设计指标后，选定滤波器的耦合拓扑结构，相应设计参数的计算便是关键的一步。本设计的实例采用CQ耦合拓扑结构。其设计参数的计算首先要求解滤波器传输函数

上式中，|S₂₁(Ω)|表示从滤波器的1端口输入，2端口输出后的信号功率传输系数，ε是滤波器通带内的波纹系数，T_n(Ω)为切比雪夫函数，分别定义为：

(2)式中，L_Ar为带内最大插入损耗，n表示滤波器的阶数，(1)式和(3)式中Ω为归一化角频率。并结合带内最大插入损耗，可得：

根据(1)-(4)式，给定滤波器通带截止频率Ω_c＝1处的插入损耗L_Ar与带外Ω_s处的阻带抑制损耗L_As等参数，即可求得如下图7所示切比雪夫函数类型低通原型中的归一化元件值g_i，将归一化元件值经过阻抗变换及频率变换等处理后与所设计滤波器参数相对应。也就是说，所述5G频段腔体滤波器通过理论计算初步设计确定滤波器的带外抑制水平、阶数及整体结构等指标，利用求解切比雪夫函数，得到低通原型各电路元件参数的归一化元件g_i值，并利用公式

上式(5)、(6)中FBW为滤波器的相对带宽，其表达式为

(5)-(7)式中，K_i，i+1表示相邻谐振器间的耦合系数，Q_e表示滤波器的外部品质因数。计算出相应的耦合系数K_i，i+1和Q_e值(有载Q值)后，再通过高级射频仿真软件ADS将其理论值进行仿真，得到初步的仿真结果，将初步仿真结果进行微调、优化，使仿真结果远优于预期指标。然后设计一种易于加工、高无载Q值的金属谐振器，使用电磁仿真软件HFSS综合仿真，经过大量的仿真优化，得到最终优化仿真结果，实际制作、加工测试，修改尺寸后，继续测试验证，得到最终5G频段腔体滤波器。

本发明实施例所述5G频段腔体滤波器的设计方法具有以下技术效果：

本发明实施例所述的5G频段腔体滤波器的设计方法采用一种计算加仿真结合的方式，不再使用传统的参数扫描或优化确定参数的方式，利用耦合系数与各调谐装置之间的关系，精确确定各个谐振器之间的耦合，最后利用电磁场仿真软件HFSS综合仿真，优化设计目标，大大节省5G频段腔体滤波器的设计时间。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。