单模介质滤波器技术总结(完结版).pdf

TE01δ模式介质谐振滤波器技术总结 一、前言 由于无线电通信技术的发展，低费用、更有效、更好品质的无线通信系 统需要高性能,小体积和低损耗的腔体滤波器介质谐振滤波器由于其体积 小，性能好目前已经逐渐应用到各类通信基站中, 在即将到来的 3G 通信领 域拥有广阔的市场前景它的研究与开发，是今后滤波器发展的重点所在 1.1 TE01 模介质谐振器的工作原理 电磁壁理论 理想的导体壁（电磁率为零）在电磁理论中称为电壁，在电壁上，电场的 切向分量为零，磁场的法向分量为零电磁波入射到电壁上，将会完全反射 回来，没有透射波穿透电壁因此，用电壁围成一个封闭腔，一旦有适当频 率的电磁波馈入，波将在腔的电壁上来回反射，在腔内形成电磁驻波，发生 电磁谐振此时即使外部停止向腔内馈送能量，已建立起来的电磁振荡仍将 无衰减维持下去可见电壁空腔是一种谐振器，电磁能量按一定频率在其中 振荡当然，非理想导体壁构成的空腔，也具有电壁空腔的类似特性，只不 过外部停止馈送能量后，起内部已建立起来的电磁振荡，不会长期地维持下 去，将随时间而逐渐衰减，终于消逝，成为阻尼振荡谐振器中电磁振荡维 持的时间的长短（时间常数）是其 Q 值高低的一种度量。

高介电常数的介质的界面能使电磁波发生完全的或者近似完全的反射 当 然，这两类的界面性质不同，其对电磁波的反射特性也不尽相同电磁波在 导体壁上的电场切向分量为零，故入射波与反射波的电场切向分量相消，仅 有法向分量，因为合成场的电力线垂直导体表面，亦即垂直电壁；而在高介 电常数的介质界面上，磁场的切向分量近似为零，入射波与反射波的磁场切 向分量近似相消，合成场的磁力线近似垂直于介质界面在电磁场理论中， 垂直于磁力线的壁称为磁壁，故高介电常数的介质表面可以近似看为磁壁，只有时，才是真正的磁壁在磁壁上，磁场切向分量为零，电场法向分量为零，它与电壁对偶既然电壁所构成的空腔可以作为微波谐振器，显 然，磁壁周围的介质块可以近似是个磁谐振器，电磁能量在介质块内振荡， 不会穿过磁壁泄露到空气里 介质波导理论 若将一个介质棒变成一个环，令其首尾相连接，并使连接处电磁波有相同 相位，该电磁波就能在环内循环传输，成为一个行波环如果介质损耗非常 小，循环时间就很长，于是电磁波被“禁锢”在介质环内，成为一个环形介 质谐振器介质环的最小平均周长，应该是被导波的一个波导波长上述的 谐振条件并未对介质环的形状加以任何限制，所以环可以是圆的，方的或者 其他任意形状。

此外，环的内径大小对谐振来说也不是实质性的，内径缩小 至零，照样能维持谐振，储存电磁能量 最常用的介质谐振器的形状有矩形，圆柱形和圆环形三种，前两种用的更 普遍矩形介质谐振器的工作模式主模是 TE11d 模，圆柱形的有 TE01d 模 图中就是两种谐振器的振荡模式 1.2 介质谐振器的材料 微波介质材料是指在微波频率下使用的介质材料微波介质材料对原材 料的要求比较高，要获得高质量的材料须严格按照生产工艺操作微波介质 器件是指应用微波介质材料制成的具有某种功能的器件常见的是介质谐振 器、介质滤波器、介质无线块 TE 模介质谐振器由高 Q 值、低损耗和高介电常数的介质材料烧结而成， 鉴于 9186397x 系列的特殊性，还要求介质谐振器具有适宜的频率温度系数 且能够承受较高的功率若干介质谐振器在截止波导中通过一定的耦合方式 级联，辅以适宜的输入输出耦合方式和交叉耦合形成 TE 模介质滤波器当 输入信号频率靠近介质谐振器的谐振频率时能低损耗通过，而远离谐振频率 的信号则被衰减 为了减小介质谐振器放入腔体后的损耗，提高介质谐振器的 Q 值，通常 选择支撑柱来支撑介质谐振器支撑柱通常选用低损耗的介质材料，目前我 们使用的是 Al203. 1.3 介质谐振器的几种主要结构及尺寸 类型 模式 形状 尺寸 适用频率 （1） 介质谐振器 11//0.43*10/:rDCfL DLDmmCmm sfε≈==、 单位为谐振频率，单位为H zSHF 频率 <3GHz （2） 同轴谐振腔 /{ }4 { }mmsH zrCIfL C fε≈、、意 义 、 单 位 同 上UHF 频率 <2GHz （3） 带状 电路谐振器 //{ } 2{ }{ } 4{ }(0.60.9)mm sHzwmm sHzwrrCIfCLfεεεε≈≈=:UHF 频率 SHF 频率 1.4 TE01 谐振单腔的尺寸设计： 谐振单腔可以是矩形腔体，也可是圆柱腔体，为了保证不使谐振器 Qu 下 降很多，和引入 TM 模谐振单腔的尺寸最小处大约为谐振器直径的 1.5 倍，高度 约要是谐振器厚度的三倍。

为了使 TM 模远离 TE 谐振主模,通常在介质谐振器中 心开一小孔 1.5 微波介质腔的场型 介质谐振器可以激励三种振荡模式:TE、 TM、HE 型振荡模式,本文中主要 介绍 TE01δ其场型如下： 1.6 介质谐振器与腔体的安装方法 A.金属螺钉安装法 此方法将介质谐振器直接通过镀银的金属螺钉紧固在腔体上，优点是较 牢固，能经受实验中的振动、冲击和运输中的要求但对介质谐振器、支 撑柱的形状有要求，否则由于磁场结构受到螺钉的破坏导致 Q 值下降 B. 塑料螺钉安装法 此方法将介质通过塑料螺钉紧固在腔体， 优点是基本不影响介质的电磁 场结构和 Q 值，但是其强度和硬度不如金属螺钉，且目前需要寻找合适的 供应商 C. 胶粘法 此方法将介质用特定的粘胶粘在腔体上,优点是基本不影响介质的电磁 场结构和 Q 值，但在经受实验中的振动、冲击和运输的要求及可靠性方面 还不是很好，需进一步实验论证 鉴于以上分析，我们推荐使用镀银金属螺钉安装法 1.7 介质调节盘的选用 A. 金属盘 采用金属盘调节时频率的变化方向与普通的的金属腔滤波器相反（里进频率高偏） ，调节范围有限，且对 Q 值有一定的影响。

但成本低，易于 加工 B. 介质盘 采用介质调节盘和介质螺杆时频率的变化方向与普通的金属腔滤波器 相同（里时频率低偏） ，调节范围较金属盘大，对 Q 值基本没有影响但 需要外购且不好安装 二、腔体介质谐振滤波器 腔体介质谐振滤波器，是将介质谐振器放置于截止金属波导中去，滤波器的 通带频率由介质谐振器的谐振频率所决定， 耦合带宽可以通过调节谐振器之间的 距离或者两谐振器之间的耦合窗口的大小来实现 2.1 主要特性及应用 体积和重量是金属空腔的 1%左右其他优点： 1、可以实现器件的高稳定，高可靠，谐振频率温度系数可达 ppm级 2、可以实现谐振器的低损耗，高品质因数，使损耗角正切很小 3、陶瓷材料加工简便，机械性能良好 4、介质滤波器有很高的脉冲功率容量 缺点： 1、批量生产工艺控制要非常严格 2、因为谐振器导热能力差，所以平均功率容量小 3、因为绝大部分电场被束缚在介质谐振器内部，耦合调节范围很小 2.2 材料与谐振器性能关系 微波介质陶瓷的介电常数主要取决于材料结构中的晶相和制备工艺， 与使 用频率基本无关从陶瓷工程学的角度看，除了从组成上考虑微观的晶相类 型及组合外，在工艺上使晶粒生长充分，结构致密，也是提高介电常数的途 径。

谐振器的品质因数 Q 受介质损耗(dtgδ ).欧姆损耗(etgδ ).辐射损耗(tgλδ )这三个因素的影响,Q 主要由介质损耗决定对于微波介质材料，欧姆损耗和辐射损耗可以忽略，Q 约与戒指损耗成反比关系，与rε 也成反比关系1 00//()ddrddtgtgtgλδελδδ−≈=≈≈g此外品质因数 Q 与微波频率 f 有关：'''22( )/( )//2rrQfε ωε ωωω γωπτ=≈=gg式中'( )ε ω - - - - - - - - 有功介电常数；''( )ε ω 无功介电常数；rω 材料固有角频率；γ材料衰减常数；ω微波频率为 f时的角频率不同的测试频率有不同的 Q值在比较同一系列材料的 Q 值时，必须换算成同一个频率才有可比性 据报道采用静压成型与热压烧结提高了材料的致密性，使材料的微波介质损耗得以降低，介电常数rε 上升；使用微细瓷粉，提高了材料组成与结构的均匀性，改善了材料的 Q 值和频率温度系数；使用微波快速闪烧技术 使材料中易挥发成分得到了控制，提高了材料组组成的一致性；在氮气气氛 中退火处理使材料提高了 Q 值 2.3 介质谐振腔之间的耦合方式 A. 水平耦合 此种方法耦合螺杆与调谐螺杆平行，即耦合螺杆也在盖板上，与传统的 金属腔滤波器一样，但由于介质的电磁场结构与空腔不同，耦合螺杆只与介 质谐振器的电场方向垂直（介质谐振器的电场主要集中在介质的表面） ，与 介质谐振器的磁场方向大部分平行，对谐振腔之间的耦合强弱影响不是很 大，经实验论证只能起到微调的作用。

但可以通过增加耦合螺杆的直径或在 螺杆的末端加一小圆盘来改善 此种耦合方法对窗口的尺寸要求比较高，在腔体排腔比较复杂的时候可 以采用此种耦合示意图如下： 水平耦合示意图 B. 垂直耦合 此种方法耦合螺杆与调谐螺杆垂直，即耦合螺杆在腔体上由于刚好与介质 谐振器的磁场方向垂直，与介质谐振器的电场方向平行，对两个介质谐振腔之间 的耦合强弱影响很大，经实验确认能起到较大耦合作用此种耦合方法对窗口的 尺寸要求没有平行耦合方式高，在腔体排腔比较简单（如：一字型腔）的时候可 以采用 2.4 输入输出抽头耦合方式 A．抽头圆环接地方式 抽头由Ф1.3 的镀银铜线制作而成,镀银线弯成约 1/4 圆周的圆弧状,一端 焊在接插件输出,另外一端通过焊片接地镀银线呈上升的螺旋状围绕在介 质谐振器周围 通过调节镀银线与介质谐振器之间的距离来调节抽头的耦合 强弱示意图如下： 接插件 接插件 介质谐振器 此种耦合方式适合于抽头耦合要求较弱的滤波器（通带较窄） ，调节方便但工 艺性差，不利于批量生产 B．垂直金属杆的耦合形式 此种抽头为一根与 TE 模介质谐振器的磁场垂直的金属杆（类似于一个金 属腔） ，金属杆与接插件之间通过镀银线抽头连接。

改变抽头的输入点，调整 金属杆与介质谐振器的间距或者改变金属杆的长度均可以调整抽头的耦合强 弱抽头越靠近介质谐振器，金属杆越长，金属杆与介质谐振器的间距越小， 输入输出耦合越强反之，则越弱 此种耦合方式的优点是使滤波器的输入输出腔的场型类似于金属腔滤波 器，能够很大程度地减少通带附近的谐波，且工艺容易实现，方便调节如 果滤波器的空间允许，可以使用这种方法此种耦合形式的示意图如下： 金属杆，焊接抽头耦合输出 介质谐振器 当滤波器的通带较宽,要求输入输出耦合较强时,上述耦合金属杆可以隐变为 一频率合适的金属谐振腔，其内的金属杆与普通的金属腔滤波器一致，但方向上 是垂直的 三、腔体介质谐振滤波器设计步骤 1、根据规范书要求，确定滤波器节数以及所需 Qu、耦合系数 2、根据滤波器外形，以及滤波器节数来确定单个谐振腔尺寸 3、根据仿真结果，确定交叉耦合的性质及位置，以及合适的级间耦合，输入输 出耦合方式 4、根据介质金属波导尺寸，来选择适当介电常数的材料，根据所选介质的介电常数rε 求介质谐振器的尺寸可以根据： 00/c fλ = /0.4L D = tan2d daLββα= 22 00.5862r dDεβπλ=− 22 00.58612dDαπλ=− 两端谐振器由于终端耦合结构影响要使谐振器的谐振频率上升，故将两端谐 振器厚度增加 0.01 英寸作为补偿。

一般截止圆波导直径是介质半径的 2 倍 4、由外部 q 值设计出输入和输出的耦合结构 5、根据计算出的耦合系数通过仿真，确认各腔之间耦合窗口的大小 5、安装调试 四、TE01δ模式介质谐振滤波器内部的耦合形式 4.1 馈电处耦合 馈电处的耦合主要是用来满足滤波器设计外部 Q 值的要求，根据 馈电点处的耦合带宽1 01B。