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系统滤波器100，包括输入端口101、输出端口102、多模谐振器103、腔体104和多个调谐装置105，所述输入端口101和所述输出端口102均与所述多模谐振器103相连，所述多模谐振器103与多个所述调谐装置105设置在所述腔体104内，所述调谐装置105包括第一调谐装置105-1和第二调谐装置105-2；

所述输入端口101用于输入原始信号；

所述输出端口102用于输出经所述多模谐振器103处理后的信号；

所述多模谐振器103用于产生谐振频率在5G系统频段内的多个简并模；

所述第一调谐装置105-1用于使所述多模谐振器产生的多个简并模发生耦合；

所述第二调谐装置105-2用于控制所述5G系统滤波器的传输零点。

本实施例中，输入信号的功率高达10W，因此，5G系统滤波器100中的多模谐振器103也被设置成具有较高的功率承受能力，所述腔体104可被设置成金属或介质矩形腔体，并在腔体104的外表全部镀铝，调谐装置105穿过矩形腔体的一个侧面和一个顶面并凸出，输入端口101和输出端口102均进行了标准阻抗匹配(端口阻抗50Ω)，满足无线通信系统设备间的互联标准；本实施例中，第一调谐装置105-1用于使多模谐振器产生的简并模之间产生相互耦合；根据传输零点的产生机理，即基于信号的多径传输，在有些频率上相位相反、相互抵消；本实施例中使用矩形腔体一侧面的调谐装置(第二调谐装置105-2)控制所述5G系统滤波器的传输零点，进而实现通带两侧的传输零点，提高滤波器的带外抑制能力，提高系统的抗干扰性能，提高系统可靠性。滤波器体积较小，仅为28mm×28mm×26mm，比单模滤波器的体积减小约二分之一。

本实施例中个，所述5G系统滤波器频宽为3300MHz～3600MHz(相对带宽为2.81％)，带内插入损耗(简称IL)≤0.8dB，带内回波损耗≧20dB，带外50MHz衰减40dB，驻波比≤1.3，使用这种低插损、高抑制的滤波器，能滤除5G系统外的干扰信号，保证有用信号无衰减的通过，从而能改善5G通信系统的灵敏度和抗干扰能力，极大地提高了通信系统的容量，极大地改善了通信系统的通信质量，可以大幅度改善用户对5G系统的体验感。

参照图2，作为可选的实施方式，所述多模谐振器为圆柱形介质谐振器，所述圆柱形介质谐振器采用磁导率为1，损耗正切为0.0002，介电常数为24的介质，所述圆柱形介质谐振器通过调整圆柱形的直径和高度，改变谐振频率。

本实施例中，使用低介电常数的介质实现谐振器，具体地，选用磁导率为1，损耗正切为0.0002，介电常数为24的介质实现谐振器，并设计成易于加工的圆柱形结构，使用常规的介质体加工方法，谐振器结构稳定，加工成本低，易于加工；圆柱形介质谐振器的基本尺寸设置为为直径(D)21mm，高度(H)为9mm，其谐振模式、谐振频率的确定使用开波导法分析如下：

如图3所示，放置在金属屏蔽盒中的圆柱形介质谐振器金属板内的区域被分为六个区，1、2、3、4区域有电磁场分布，5、6区域中存在微弱电磁场，可以忽略不计，视为零场；在介质谐振器内存在TE波和TM波，以TE波为例(TM波可以用类似方法分析)，图1的各区域中不随δ变化的Hz磁场分量通过求解赫姆霍兹方程得：

其中，A1、A2、A3、A4、都是常量，同时：

如果H_Z分量已知，则其余场的电场分量可以求出

(8)-(11)式中的k为所在区域的波数，在区域1和4时传播常数为β，在2和3区域时传播常数为jα_i(i＝1,2)，那些与θ无关的TE模式，它们的E_z1，E_r，H_θ为零。由于H_z在谐振器的界面上是连续的，所以(1)-(4)可以写为：

同理，H_r，E_θ为：

(12)-(23)式中，J₀(x)和J₁(x)第一类贝塞尔函数，K₀(x)与K₁(x)为修正第二类贝塞尔函数。在边界上，由电场的边界条件E_θ1＝E_θ4,可得：

在边界上，根据磁场的边界条件H_r1＝H_r2,可得：

同理，在边界上，根据磁场的边界条件H_r1＝H_r2,可得：

由(25)-(26)式，可得：

式(26)有许多离散的根，按大小排列后，k₀₁为最小的根，所以与θ无关的模中，最低次模即主模是TE_01δ模。根据不同的谐振模式可以求得对应不同的谐振频率，不同模式具有相同的谐振频率，称为简并模，利用简并模，可以实现多模谐振器。

具体地，所述多模谐振器103为圆柱形介质谐振器，所述圆柱形介质谐振器采用磁导率为1，损耗正切为0.0002，介电常数为24的介质，所述圆柱形介质谐振器通过调整圆柱形的直径和高度，改变谐振频率。

本实施例中，多模谐振器103设计成圆柱形介质谐振器，采用磁导率为1，损耗正切为0.0002，介电常数为24的介质，并设计成易于加工的圆柱形结构，使用常规的介质体加工方法，谐振器结构稳定，加工成本低，易于加工；设置圆柱形合适的直径和高度，使其能产生2个频率在5G系统频段内的简并模，再通过施加适当的微扰，可以使2个简并模之间产生耦合；然后再通过调整输入端口、输出端口，使其与各模式之间产生耦合，调整简并模之间的耦合系数和输入端口、输出端口与简并模的耦合系数，通过模拟优化仿真，最终得到优化的5G系统滤波器，得到的5G系统滤波器带内波动小，带内驻波较低，具有较低的插入损耗和较高的回波损耗，和具有极大的带外抑制能力，可以较好的改善接收机对带外干扰信号的抑制能力，提高接收机的解调能力。具体地，圆柱形介质谐振器的尺寸为直径(D)22.5mm，高度(H)为9mm，将圆柱形介质谐振器的参数输入电磁场仿真软件HFSS中进行建模仿真，可得出8个模式的谐振频率及其对应的品质因数(Q值)，具体地，参照下表1，表1为8个模式的谐振频率及其品质因数(Q值)对应表，其中，模式2和模式3频率接近，属于简并模，由表1可知，随着谐振频率的升高，Q值呈降低趋势。

表1 8个模式的谐振频率及其Q值对应表

为了分析谐振器的各模式的电磁场分布特性，利用高频电磁场仿真软件HFSS建立模型，分析了模式2的电场分布，加入第一调谐装置，也就是调谐螺钉改变电场特性分布，利用螺钉加扰的方式，使得模式2和模式3发生耦合，耦合强弱可以通过螺钉长度控制，因此，可预先计算耦合系数，再根据耦合系数，确定螺钉的长度。

作为可选的实施方式，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多个所述简并模的耦合系数决定；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，第一调谐装置用于使所述多模谐振器产生的多个简并模发生耦合；所述第一调谐装置的结构为金属螺杆或介质螺杆，其长度由调谐所需耦合系数决定，螺杆可以为正方体结构，也可以为圆柱形结构，螺杆为圆柱形时，圆柱的直径会影响耦合系数；螺杆为正方体时，正方体的边长会影响耦合系数；也就是说，由耦合系数的大小决定其直径和边长，但螺杆的直径或边长不能大于滤波器腔体的直径或边长。本实施例中，第一调谐装置的数量可以是1个也可以是多个，其可以在滤波器腔体的外部施加，也可以在滤波器腔体的内部施加，调谐量大小可以根据实际滤波器的需要设定，当第一调谐装置采用介质螺杆时，一般在介质螺杆的外层电镀铜或银。

第二调谐装置主要用于控制传输零点，其也可为金属螺杆或介质螺杆；本实施例中，在5G系统滤波器中引入三个传输零点，三个传输零点对应的3个第二调谐装置，一个在滤波器腔体外部的底面引入第二调谐装置，另两个第二调谐装置置于滤波器腔体的右面和后面，第二调谐装置通过控制输入到输出的多路信号，实现在某一频率点的传输为零，从而实现滤波器通频带外的传输零点，提高滤波器的抗干扰性，提高滤波器的带外抑制能力。本实施例中，通过第二调谐装置控制传输零点，使得最终滤波器在左右均有零点，带宽为56MHz，回波损耗小于21dB，插入损耗小于1dB，优于同类型滤波器；同样地，当第二调谐装置采用介质螺杆时，一般在介质螺杆的外层电镀铜或银。

作为可选的实施方式，所述输入端口和所述输出端口均通过金属探针与所述多模谐振器相连；通过调整所述金属探针的大小及所述金属探针连接所述多模谐振器的位置，调整输入输出耦合的大小。

或者所述输入端口和所述输出端口均通过带有金属圆片的金属探针与所述多模谐振器相连；通过调整所述金属圆片离所述多模谐振器的距离，调整输入输出耦合的大小。

本实施例中，输入端口、输出端口与多模谐振器产生的简并模之间的耦合可以采用容性耦合或采用磁性耦合，容性耦合使用探针加金属圆片的方式，即输入端口和所述输出端口均通过带有金属圆片的金属探针与所述多模谐振器相连，这种耦合方式可以通过金属圆片离多模谐振器的距离改变耦合大小。磁性耦合使用金属探针连接谐振器的方式，即输入端口和所述输出端口均通过金属探针与所述多模谐振器相连，这种耦合方式可以通过调整金属探针的大小及连接多模谐振器的位置调整耦合大小。

作为可选的实施方式，所述5G系统滤波器还包括支撑块，所述支撑块为圆柱形介质支撑块，通过设置所述圆柱形介质支撑块的高度，确定所述多模谐振器的谐振频率和所述多模谐振器的外部品质因数。本实施例中，支撑块可为圆柱体或正方体结构，其材料为低介电常数陶瓷，介电常数要选用比多模谐振器的介电常数低，由于支撑结构会影响多模谐振器的Q值，设置合适的高度等参数值可以提升多模谐振器的Q值。支撑结构的大小也会影响5G系统滤波器的传输参数。

本发明实施例所述5G系统滤波器具有以下技术效果：

多模谐振器选用低介电常数的材料，降低了原材料的成本；腔体采用金属材料，并使用普通金属CNC加工方式，降低了金属腔体的加工成本；5G系统的滤波器最终设计的体积较小，仅为27mm×27mm×26mm，比单模滤波器的体积减小约二分之一；由于采用对称结构，加工容易，并预留调谐功能，使得加工制作好的5G系统滤波器也能在一定范围内进行调谐，完全满足设计指标要求，降低了批量产品的成本和不良率，达到节能、低碳的设计方针。同时，5G系统滤波器的通带在5G频段内，具有极低的插入损耗、带内波动较小、回波损耗较大，驻波比较小，用于5G无线通信系统，能极大降低5G系统接收机的带外干扰，提高5G系统的网络容量，提高5G系统的网络质量，提升用户对5G系统的体验感，极大地推动了第五代无线通信系统的建设和发展。

参照图4，本发明实施例提供一种5G系统滤波器的设计方法，包括但不限于以下步骤：

S1.确定多模谐振器的第一指标，所述第一指标包括多模谐振器的材料、形状尺寸、谐振频率、谐振模式及谐振模式之间的耦合系数；

S2.根据所述第一指标，利用电磁场仿真软件进行仿真，得到所述多模谐振器；

S3.确定所述5G系统滤波器的第二指标，所述第二指标包括所述5G系统滤波器的频宽、带内插入损耗、带内回波损耗、驻波比及整体结构；

S4.根据所述第二指标，结合所述多模谐振器，通过高级射频仿真软件进行仿真，得到初步的仿真结果；

S5.将初步仿真结果进行微调、优化，得到5G系统滤波器。

步骤S1，也就是所述确定多模谐振器的第一指标这一步骤，具体包括：

S101.设置所述多模谐振器为圆柱形，并根据预设尺寸设置所述圆柱形的直径和高度；

S102.根据5G系统的频段，选择相应的介质材料；

S103.使用开波导法确定所述多模谐振器的谐振频率与谐振模式，所述谐振频率在所述5G系统频段内；

S104.利用高频电磁场仿真软件建立模型，分析所述多模谐振器的各谐振模式的电磁场分布特性；

S105.根据所述分析结果，确定个所述谐振模式之间的耦合系数。

步骤S102，也就是所述根据5G系统的频段，选择相应的介质材料，具体为：

根据5G系统的频段，选择磁导率为1，损耗正切为0.0002，介电常数为24的介质材料。

步骤S3，也就是所述确定所述5G系统滤波器的第二指标这一步骤没具体包括：

S301.设置所述5G系统滤波器的频宽为5G频段，带内插入损耗不超过0.8dB，带内回波损耗超过21dB，驻波比不超过1.299；

S302.确定所述5G系统滤波器的整体结构包括输入端口、输出端口、多模谐振器、腔体和多个调谐装置，所述输入端口和所述输出端口均与所述多模谐振器相连，所述多模谐振器与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所述多模谐振器处理后的信号；所述多模谐振器用于产生谐振频率在5G系统频段内的多个简并模；所述第一调谐装置用于使所述多模谐振器产生的多个简并模发生耦合，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控制所述5G系统滤波器的传输零点，所述第二调谐装置为多个所述调谐装置中的一个。

本发明实施例所述5G系统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系统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确定参数的方式，能够优化设计目标，大大节省5G系统滤波器的设计时间，提高设计效率。

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。