介质滤波器设计

电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（四）介质滤波器序言在过去的10多年里用于制作介质谐振器和介质滤波器的高介电常数介质材料有了令人瞩目进展。在材料的介电常数、损耗和温度稳定性等方面都有了很大提高。同时，价格也不断降低。所以，介质谐振器、介质滤波器和介质天线被广泛应用于通讯、雷达和导航等领域。在基站用滤波器领域，同轴谐振腔滤波器的统治地位正受到来于自介质滤波器的挑战。2004年，RaafatR.Mansour在IEEEMicrowaveMagazine上撰文预测，在未来5年之内，介质滤波器将会占有基站滤波器市场很大的份额。因此，重视基站用介质滤波器技术的发展，掌握基站用滤波器设计与制作技术是非常重要的。介质滤波器设计在解决了腔体的计算问题以后，就可以进入滤波器的设计。在滤波器设计的第一阶段，就是根据系统要求给出滤波器的拓扑结构图。首先用电路软件验证拓扑结构的可行性。介质滤波器设计滤波器设计的第二步，就是根据耦合矩阵的要求分别设计的激励和腔体之间耦合的机构。腔体激励和耦合机构的设计必须根据谐振器工作模式的场结构。例如，对圆柱谐振腔TE10δ模式的电场是与圆柱面共面的环形结构，磁场是与圆柱面垂直的环形。如果是电耦合，则输入、输出结构的导体必须与电场平行（至少有部分平行）。如果是磁耦合则耦合环平面必须要与磁力线垂直。下面是TE10δ几种常见的耦合方式。腔体激励方式的选择最好只激励工作模式，不激励其他模式。TE01δ模的激励EH11δ模的激励电激励腔体间的耦合腔体间的耦合系数可以用下面的式子计算；腔体间的耦合分成两种类型，一种电耦合（K值为正）；另外一种是磁耦合（K值为负）。从物理概念上理解，电耦合主要是通过电场耦合；磁耦合主要通过磁场耦合。耦合结构设计也主要从工作模式的场结构来考虑。22shop22shopf-fK=f+f对称面开路对称面短路TE01δ模环形介质谐振器之间的耦合利用膜片耦合TE01δ模介质谐振器(a)四阶腔体具有正的正交叉耦合(b)三阶腔体具有正的正交叉耦合(c)四阶腔体具有负的正交叉耦合(d)三阶腔体具有负的正交叉耦合(a)在侧壁的磁场(b)耦合膜片结构(c)在两个耦合腔体之间的磁场(d)从上面观察到的磁场矩形介质谐振器腔体之间的耦合矩形介质谐振器腔体之间的耦合单腔多模介质谐振器模式之间的耦合调谐非简并模与简并模之间的耦合通过切角调谐简并模之间的耦合三模介质滤波器的耦合调整结构简并模式耦合系数计算模型of2222oeoeffkffef--奇模频率--偶模频率调谐机构由于加工、材料等方面的误差，最后滤波器必须添加调谐机构。调谐机构的作用是控制谐振频率或腔体之间的耦合量。控制腔体的谐振频率主要通过影响介质之外的场分布来实现。调谐机构可以用金属，也可以用介质。设计时，把调谐机构放置在中间位置。留出调谐余量。耦合系数计算结果TE01δ模介质谐振器的调谐机构滤波器整体仿真完成滤波器激励结构、耦合和调谐机构的设计后，就可以进行滤波器的整体仿真。这项工作在建模阶段需要细心和耐心。合理建模往往成为是否成功的关键因素。两腔滤波器仿真与测试结果两腔滤波器仿真与测试结果基站滤波器成功的设计例子设计指标：选用材料：选用介质谐振器类型和模式介质谐振器选用1/4环形谐振器。工作模式TE01模。电场磁场选择的拓扑结构腔体激励与耦合实测结果承受功率500W低插入损耗梳状介质滤波器滤波器拓扑结构Fig.2(a)SCHEMATICDIAGRAM(PLAN-VIEW)OFTHEFOURTHORDERELLIPTICFILTERUSINGDIELECTRICLOADEDCOMBLINERESONATORS.(b)THEACTUALFILTER.腔体耦合系数Fig.3COUPLINGCOEFFICIENTSBETWEENTWOAPERTURECOUPLEDDIELECTRICLOADEDCOMBLINERESONATORSOFTHETYPESPECIFIEDINFig.1,WHENTHETHICKNESSOFTHECOMMONWALLBETWEENTHETWORESONATORSt=1mm.EFFECTOFTHETUNINGSCREWHASBEENIGNOREDINTHECOMPUTATIONOFTHECOEFFICIENTS.理论计算和测试结果实测插损小于0.46dB,寄生通带特性好于一般的介质滤波器。宽带测试结果可以达到的腔体Q值介质谐振器供应商标称的Q值是无载Q值，并不是实际的滤波器Q值。实际的滤波器Q值决定滤波器的插入损耗特性。典型的无载Q值是介质材料损耗角的倒数（Q=1/tanδ）。除了介质谐振器的损耗角之外，可以达到的滤波器腔体Q值也会受到外壳、支撑结构和调谐螺钉的影响。外壳的尺寸增加外壳的尺寸自然会提高腔体的Q值。然而，外壳的大小通常受到滤波器宽度的限制。对那些使用膜片耦合的滤波器，谐振器外壳的壁必须足够靠近介质谐振器以提供滤波器所要求的耦合量。方型腔体外壳的典型边长是介质谐振器直径的1.5–1.7倍。外壳所用材料的导电率对滤波器可以达到的Q值也有影响。支撑结构介质谐振器通常使用由低介电常数材料的支撑结构镶嵌在腔体中。（例如，Trans-Tech公司的支撑材料εr=4.5；tanδ=0.0002）。在介质谐振器和支撑材料之间一般还会有一层粘结材料。组合以后的介质谐振器支撑介质通常通过金属螺钉或塑料螺钉被镶嵌在腔体中。如果不能恰当地设计支撑结构，支撑结构会非常明显地降低腔体的Q值。调谐元件的影响不同批次陶瓷介质典型的介电常数误差在±1左右，同一批次介质的介电常数误差在±0.5。对于一个εr=29的介质谐振器,介电常数±1的变化大约可以转换成±30-MHz的频偏。滤波器供应商为了降低这个公差问题的影响，采用每一批次都测试介质的介电常数。然后，用一个分类机械调整谐振器的长度补偿介电常数的误差。然而，它不能做全部的再调整。这样，就需要调谐螺钉来调整。另外，滤波器安置空间变化产的误差足以影响由膜片提供的腔体间的耦合系数值。通常，腔体之间的耦合量需要通过镶嵌在膜片上的调谐螺钉重新调整。用于腔体和膜片的调谐螺钉当然会降低滤波器的Q值。介质谐振器滤波器的寄生通带特性在所有已知的其它类型的微波滤波器（波导、同轴、高温超导等）中，介质谐振器滤波器的寄生通带特性最差。在1.8GHz没有寄生通带的窗口只有大约400–500MHz。同轴谐振腔有非常宽的无寄生通带窗口。这个窗口至少可以达到三次谐波的频率（即，中心频率1.8GHz可以达到3.6GHz）。介质谐振器滤波器或者可以使用混合谐振器法，即同轴腔体与介质谐振器腔体混合（见图a），或者使用同轴谐振器滤波器与介质谐振器滤波器层叠（见图b）的方法解决这个问题。当然，这样的同轴腔体当然可以解决寄生通带的问题，但是它会增加整个滤波器的体积15–20%并且大约会增加滤波器的插入损耗10–15%。改善介质滤波器寄生通带特性利用混合模提高寄生通带特性混合模滤波器的测试结果ChiWangandKawtharA.Zaki，“DielectricResonatorsandFilters”，IEEEMicrowaveMagazinOct.2007,115-127承受功率由于TE01模式的场分布和低损耗特性，对高峰值功率应用来说介质谐振器工作在TE01模式一种理想的选择。高功率介质谐振器已经通过100W的测试，测试结果表明介质谐振器滤波器具有非常好的交调特性。支撑材料和粘结材料的热传导率是设计高功率介质谐振器滤波器的重要因素。支撑结构被设计来允许介质谐振器内部产生的热量非常容易地传导到滤波器空间以外。温度飘移整个滤波器的温度飘移由介质谐振器的温度系数、支撑结构的温度系数和调谐螺钉与外壳的热膨胀系数决定。介质谐振器提供很宽范围的温度系数(−6ppm/Cto+6ppm/C)，允许设计者补偿由上述因素导致的综合的温度飘移。这样的综合温漂可能是正，也可能是负，这取决于使用材料的类型。通过正确地选择介质谐振器材料的温度系数，滤波器整个的温漂可以减少到1ppm/C.（即，整个温度变化50◦C,在PCS频段的温度漂移仅有90KHz）。