介质滤波器技术总结

TE01δ模式介质谐振滤波器技术总结

一、前言

由于通信技术的发展，低费用、更有效、更好品质的无线通信系统而需要高性能,小体积和低损耗滤波器。所以介质滤波器，腔体介质谐振滤波器的研究与开发，是今后滤波器发展的重点所在。

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。

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。它具有介电损耗小、频率温度参数接近零的特性。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。介质滤波器：是由多个介质谐振器通过耦合构成的。

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/:r D C f L D L D mm

C mm s

f ε≈==、单位为谐振频率，单位为Hz SHF 频率 <3GHz

（2）

同轴谐振腔

/{}4{}mm s Hz r C I f L C f ε≈、、意义、单位同上

UHF 频率 <2GHz （3）

带状

电路谐振器

//{}2{}{}4{}(0.60.9)mm s Hz w mm s Hz w r r

C I f C L f εεεε≈≈=: 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倍，高度约要是谐振器厚度的三倍。

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。其电场主要在集中于

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，滤波器的中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。

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，耦合螺杆调节范围很小。

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(d tg δ).欧姆损耗(e tg δ).辐射损耗(tg λδ)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 也成反比

关系100//()d d d d Q Q tg tg tg λδλδδ-≈=≈≈此外品质因数Q 与微波频率f

有关：'''22()/()//2r r Q f εωεωωωγωπτ=≈=g g

式中'()εω--------有功介电常数；''()εω无功介电常数；r ω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r ε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d 氮气气氛中退火处理使材料提高了Q 值。

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r ε求介质谐振器的尺寸可以根据：

00/c f λ=

/0.4L D =

tan 2

d d a L ββα=