臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在設計應用於 B5G/6G 微蜂巢式行動通訊基站收發器之陶瓷填充腔體帶通濾波器。論文首先合成切比雪夫型濾波器以實現原型低通濾波器的要求，接下來帶通濾波器的關鍵因素集中在互耦合諧振器的耦合係數以及輸入/輸出諧振器的外部品質因數上之設計。本文採用耦合矩陣模型來設計內諧振器之間的耦合，據此調整相互耦合波導諧振器之間的通槽長度以控制耦合係數。數值模擬上利用 HFSS 協助完成濾波器設計，並對所需濾波器進行優化設計，最佳化是結合HFSS 模擬器與 Mathlab 工具透過可視化腳本來進行遺傳演算法程式開發。本論文已完成遺傳演算法優化四階陶瓷諧振器測試，並已利用電磁模擬器FEKO對HFSS模擬的結果進行驗證，確認了本論文的正確性。另外也研究如何利用六階陶瓷濾波器和陶瓷填充交叉耦合型態之腔體濾波器來進一步抑制帶外信號，在阻帶上實現高抑制性能。研究結果在3400 MHz–3600 MHz 頻段上達到插入損失< 0.5 dB和回波損失> 20 dB 的要求，並能在阻帶中實現-50 dB 的抑制。

This thesis aims to design a ceramic-filled cavity bandpass filter for B5G/6G micro-cellular mobile communication base-station transceivers. The paper first synthesizes the Chebyshev filter to meet the requirements of the prototype low-pass filter. Then, the key factors of the band-pass filter focus on the design of the coupling coefficient of the mutual coupling resonator and the external quality factor of the input/output resonator. In this paper, the coupling matrix model is used to design the coupling between the inner resonators. The length of the slot between the mutually coupled waveguide resonators is adjusted accordingly to control the coupling coefficient. In terms of numerical simulation, HFSS is employed to assist in the completion of filter design, and to optimize the design of the required filter. The optimization is to combine the HFSS simulator and Mathlab tools to develop genetic algorithm programs through visual scripts. This paper has completed the test of the fourth-order ceramic resonator optimized by the genetic algorithm. The results of HFSS simulation have been verified by using the electromagnetic simulator FEKO to confirm the correctness of this paper. Finally, we also studies how to use the sixth-order ceramic filter and the ceramic-filled cavity filter with the cross-couple quadruplet to further suppress out-of-band signals and achieve high rejection performance in the stop bands. The results of the study meet the requirements of insertion loss < 0.5 dB and return loss > 20 dB in the 3400 MHz 3600 MHz band, and achieve -50 dB rejection in some parts of the cut-off bands.

目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2文獻探討 4
1.3章節探討 7
第二章 四階切比雪夫帶通濾波器設計 9
2.1 切比雪夫帶通濾波器原理 9
2.1.1插入損耗法 9
2.1.2集總元件濾波器原型設計 10
2.1.3利用轉換器設計帶通濾波器 12
2.2陶瓷腔體諧振單體設計 14
2.2.1 品質因子 14
2.2.2 陶瓷波導結構 15
2.2.3 TEM模態介質腔體諧振單體 15
2.3源端耦合設計 16
2.4內部諧振體之耦合設計 19
2.5 饋入模型討論 22
2.6數值分割模擬收斂性討論 23
2.7 四階陶瓷腔體帶通濾波器模擬與比較 24
2.8結論 26

第三章 遺傳演算法 56
3.1 遺傳演算法原理 56
3.1.1變數編碼 56
3.1.2初始化 57
3.1.3適應度評估 57
3.1.4生物遺傳子 57
3.2 Matlab與HFSS連接 59
3.2.1環境架構 59
3.2.2 VB Script設定 60
3.3 Matlab程式開發 60
3.3.1 GA主程式 61
3.3.2適應函數程式 62
3.3.3 HFSS – Matlab溝通程式 64
3.4 Matlab程式開發和模擬環境整合 64
3.5利用遺傳演算法優化四階陶瓷腔帶通濾波器 65
3.6結論 66
第四章 高帶外抑制波導帶通濾波器設計 82
4.1 耦合係數設計 82
4.2 利用GA優化六階切比雪夫帶通濾波器 83
4.3 利用交叉耦合進行帶外抑制 84
4.4 討論與結論 87
第五章 結論與未來展望 105
參考文獻 107

 
圖目錄
圖2.1雙埠網路 27
圖2.2低通濾波器原型電路 27
圖2.3集總元件式帶通濾波器電路 27
圖2.4 K-阻抗轉換器電路 28
圖2.5 Y-導納轉換器電路 28
圖2.6阻抗轉換器等效電路 29
圖2.7導納轉換器等效電路 29
圖2.8帶通濾波器電路利用阻抗轉換器表示 30
圖2.9帶通濾波器電路利用導納轉換器表示 30
圖2.10濾波器寬度對Q值作圖 31
圖2.11濾波器高度對Q值作圖 31
圖2.12基本諧振單元示意圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 32
圖2.13 基本諧振單元盲孔高度對頻率參數分析 32
圖2.14 基本諧振單元盲孔半徑對頻率參數分析 33
圖2.15 基本諧振單元HFSS模擬之S11 ，(a)振幅響應與(b) S11之相位 34
圖2.16 饋入到第一個轉換器之等效電路 34
圖2.17 腔體饋入位置示意圖，(a)側視圖與(b)俯視圖 35
圖2.18同軸饋入探頭示意圖 (底視圖) 35
圖2.19 TXLINE計算結果圖 35
圖2.20使用ADS設計四階切比雪夫帶通濾波器 36
圖2.21 ADS設計 四階切比雪夫帶通濾波器設計模擬結果 36
圖2.22 單個磁壁或電壁諧振器體示意圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 37
圖2.23電感耦合等效電路 37
圖2.24電路之S11 38
圖2.25虹膜長度對應之耦合值模擬結果圖 38
圖2.26 新增之外導體示意圖(a)上視圖 (b)側視圖 39
圖2.27 各種饋入結構之模擬與比較圖 39
圖2.28網格精細0.5 mm 40
圖2.29網格精細0.3 mm 40
圖2.30網格精細0.1 mm 40
圖2.31網格精細0.05 mm 40
圖2.32 不同網格精細對S11結果比較圖 41
圖2.33兩階陶瓷腔體帶通濾波器，(a)俯視圖與(b)側視圖 42
圖2.34饋入深度對應頻寬比較圖 43
圖2.35改變饋入深度對應S11結果圖 43
圖2.36盲孔深度對應諧振頻率模擬結果圖 44
圖2.37改變盲孔深度對應S11結果圖 44
圖2.38兩階陶瓷腔體帶通濾波器加通槽示意圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 45
圖2.39最佳化後結果圖 46
圖2.40四階陶瓷腔體帶通濾波器示意圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 47
圖2.41合併兩階帶通濾波器之模擬結果圖 48
圖2.42四階陶瓷腔體帶通濾波器場型分布圖 49
圖2.43四階陶瓷腔體帶通濾波器示意圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 50
圖2.44比較增加中間通槽之結果圖 51
圖2.45 利用耦合係數計算通槽尺寸後之模擬結果圖 51
圖2.46諧振頻率對應盲孔深度結果圖 52
圖2.47 耦合帶寬對應通槽長度模擬圖 52
圖3.1 隨機選擇適應值示意圖 67
圖3.2 競賽式選擇適應值示意圖 67
圖3.3單點配對 68
圖3.4雙點配對 68
圖3.5多點配對 69
圖3.6突變 69
圖3.7 HFSS 優化功能介面 70
圖3.8 Matlab 優化功能介面 70
圖3.9 紀錄VBScript流程圖 71
圖3.10 Matlab 內部程式運作一次之流程圖 72
圖3.11 GA優化流程圖 73
圖3.12競賽式選擇 74
圖3.13多點配對 74
圖3.14突變 75
圖3.15下一世代族群 75
圖3.16 適應值計算流程圖 76
圖3.17 Matlab程式執行流程圖 77
圖3.18 世代與懲罰值關係圖(Matlab) 78
圖3.19 世代與懲罰值關係圖 78
圖3.20 遺傳演算法結果圖 79
圖3.21 圖3.20 之S21結果於passband處放大縱軸尺寸圖 79
圖3.22HFSS與FEKO結果比較圖 80
圖4.1 ADS電路圖 89
圖4.2 ADS模擬結果圖 89
圖4.3 六階濾波器結構圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 90
圖4.4 耦合係數設計通槽尺寸後之模擬結果圖 91
圖4.5六階濾波器結構圖，(a)俯視圖與(b)側視圖 92
圖4.6 適應值之模擬結果圖(人口數20、世代數80) 93
圖4.7適應值之模擬結果圖(人口數50、世代數40) 93
圖4.8最終S11模擬結果 94
圖4.9最終S21模擬結果 94
圖4.10 CQ架構之多路徑電路圖 95
圖4.11 (a)兩條路徑的總相移分析 (b)CQ架構之多路徑電路圖 95
圖4.12圖4.11結構交叉耦合濾波器之ADS電路圖 96
圖4.13 使用ADS模擬交叉耦合(k13)之結果 96
圖4.14圖4.10結構交叉耦合濾波器之ADS電路圖 97
圖4.15 ADS模擬交叉耦合(k14)之結果 97
圖4.16 實現電容性(負耦合)架構，(a)上視圖與(b)前視圖 98
圖4.17 兩個相鄰諧振體之電耦合等效電路 99
圖4.18 電耦合帶寬對應耦合盲孔深度關係圖 99
圖4.19磁耦合帶寬對應耦合盲孔深度關係圖 100
圖4.20 含電耦合之四階腔體波導型濾波器結構圖(a)上視圖與(b)前視圖 101
圖4.21 含電耦合之四階交叉耦合腔體濾波器模擬結果圖 102
圖4.22 八階多路徑交叉耦合濾波器之電路圖 102

 
表目錄
表1-1切比雪夫濾波器規格 8
表2-1微波頻率下常用的陶瓷材料[1] 53
表2-2切比雪夫濾波器歸一化元素值(ε=0.1 dB) 54
表2-3耦合係數對照表 54
表2-4尺寸比較表 54
表2-5最佳化後尺寸 55
表2-6尺寸比較表 55
表3-1十進制轉換二進制對應表 81
表3-2 S11、S21與反射係數對應表 81
表3-3 更正後S11、S21與反射係數對應表 81
表3-4 使用GA優化的變數表(μm) 81
表4-1耦合係數與通槽長度比較表 103
表4-2 使用GA優化的變數表 103
表4-3 耦合之結構尺寸表 103

參考文獻
[1]I. C. Hunter and M. Y. Sandhu, “Monolithic integrated ceramic waveguide filters,” Ph.D. dissertation, Leeds of Univ., 2014.
[2]J.F. Liang and W. D. Blair, “High-Q TE01 mode DR filters for PCS wireless base stations,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 46, no.12, pp. 2493-2500, Dec. 1998.
[3]C. Wang and K. A. Zaki, “Dielectric resonators and filters,” IEEE Microwave Magazine, vol.8, no. 5, pp. 115-127, Oct. 2007.
[4]S. B. Cohn, “Microwave bandpass filters containing high-Q dielectric resonators,” IEEE Transactions on. Microwave Theory and Techniques, vol. 16, pp. 218-227, 1968.
[5]R. Zhang and R. R. Mansour, “Dielectric resonator filters fabricated from high-K ceramic substrates,” 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, San Francisco, CA, pp. 234-237, 2006.
[6]NCC News 第15卷第2期， June 2021.
[7]I. Hunter, R. Ranson, A. Guyette, and A. Abunjaileh, “Microwave filter design from a systems perspective,” IEEE Microwave Magazine, vol.8, no. 5, pp. 71-77, Oct. 2007.
[8]R. J. Cameron, C. M. Kudsia, and R. R. Mansour, Microwave filters for communication systems: fundamentals, design, and applications. John Wiley & Sons, 2018.
[9]J. Brian Thomas, “Cross-coupling in coaxial cavity filters - a tutorial overview,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 51, no. 4, pp. 1368-1376, Apr. 2003.
[10]R. R. Mansour, “Filter technologies for wireless base stations,” IEEE Microwave Magazine, vol. 5, no. 1, pp. 68-74, Mar. 2004.
[11]G. Macchiarella and S. C. D'Oro, “Design criteria and performance evaluation of TM01 dielectric resonators cavities for cellular base station filters,” 1999 29th European Microwave Conference (EuMC), 1999.
[12]A. Abdelmonem, L. Ji-Fuh, Y. Hui-Wen, and K. A. Zaki, “Full-wave design of spurious free DR TE mode band pass filters,” IEEE Tran. on Microwave Theory and Tech., vol. 43, pp. 744-752, 1995.
[13]V. Nocella, L. Pelliccia, C. Tomassoni , and R. Sorrentino, “Miniaturized ual-band waveguide filter using TM dielectric-loaded dual-mode cavities,” IEEE Microwave And Wireless Components Letters, 2016.
[14]J. Hayashi and Y. Nikawa, “Waveguide filter using LTCC,” in 2001 Asia-Pacific Microwave Conference, 2001, vol. 3, pp. 1012-1015.
[15]M. Memarian and R.R. Mansour, “Quad-mode anddual-mode dielectric resonator filters,” IEEE Tran. on Microwave Theory and Tech., 2009.
[16]Y. Konishi, “Novel dielectric waveguide components-microwave applications of new ceramic materials,” Proceedings of the IEEE, vol. 79, pp. 726-740, 1991.
[17]A. Salehi, R. K. Reddy, T. Lukkarila, and S. Amir, “Spurious suppression of dielectric filters in practical wireless systems,” 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE, pp. 1087-1090, 2008.
[18]Z. Du, J. Pan, X. Ji, D. Yang, and X. Liu, “Ceramic dielectric-filled cavity filter,” 2020 IEEE 5th Information Technology and Mechatronics Engineering Conference (ITOEC), pp. 888-891, Chongqing, China, 2020.
[19]R. M. Kurzrok, “General three-resonator filters in waveguide,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., vol. 14, pp. 46-47, Jan. 1966.
[20]R. M. Kurzrok, “General four-resonator filters at microwave frequencies (Correspondence),” IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., vol. 14, pp. 295-296, Jun. 1966.
[21]E. J. Naglich, D. Peroulis, and W. J. Chappell, “Wide spurious free range positive-to-negative inter-resonator coupling structure for reconfigurable filters,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Seattle, WA, USA, pp. 1-4, 2013.
[22]M. Dishal, “A simple design procedure for small percentage bandwidth round-rod interdigital filters,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 13, pp. 696-698, Sep. 1965.
[23]J. S. G. Hong and M. J. Lancaster. Microstrip filters for RF/microwave applications. John Wiley & Sons, 2004.
[24]電子材料導論，清華大學出版社有限公司，2001.
[25]梁飛，蒙順良，呂文中，高帶外抑制特性微波陶瓷波導濾波器的設計。通信學報194-201, 2021, 42.4.
[26]J. M. Johnson, and V. Rahmat-Samii. “Genetic algorithms in engineering electromagnetics,” IEEE Antennas and propagation Magazine, vol. 39, no. 4, pp. 7-21, Aug. 1997.
[27]R. Muddineni, “Design and Implementation of Monopole Whip Antenna with BWR 1:18 Using Genetic Algorithm for Long Distance Radio Applications,” Master thesis, National Ilan Univ., July 2022.
[28]趙強，微波筆記·如何在ADS中綜合耦合矩陣。 微波射頻網. https://www.mwrf.net/tech/eda/2018/22770.html, Jan. 2018.
[29]V. Walker and I. C. Hunter, “Design of cross-coupled dielectric-loaded waveguide filters,” IEE Proc.-Microw. Antennus Propag., vol. 148, no. 2, pp. 91-96, Apr. 2001.
[30]A. R. Harish and J. S. K. Raj, “A direct method to compute the coupling between nonidentical microwave cavities,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, no. 12, pp. 2645-2650, Dec. 2004.