单模介质滤波器技术总结(完结版)

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
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(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 约与戒指损耗成反比关系，与也成反比关系
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
()/()//2
r 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
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=
2d β=
2d α=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101BW KE g g =×，1
n n n BW KE g g +=×，转换为馈电点处的反射时延的关系11636.6T KE =,636.6n n
T KE =,可以设计某种耦合结构来满足馈电点处的反射时延要求。

耦合方式基本上是一种探针形式，可以做成圆弧状围绕在谐振器边上，这种探针的长度、探针与谐振器之间的间距是影响到耦合强度的重要因素。

4.2 级间耦合
腔间的耦合是通过耦合窗口实现的，耦合窗口结构的设计要考虑电磁场阵
列。

窗口应该开在磁场最强的地方，且要与磁场方向保持一致。

为了保证耦合的 TM01模式的频率远离TE01模式的耦合频率，窗口的宽度不能太大。

TM01模式的藕荷要比TE01模式的强，并且窗口宽度的方向正好是磁场排列的方向。

一对相对称的耦合腔之间有两个本征模。

一个相对应的在他们之间插入了一个良电壁，另一个是在他们之间插入良磁壁而得到的。

实际的场离散是两个本征模式的线形重叠。

对于磁耦合而言，因为在耦合区域的周围主要的扰乱能量是磁场所以磁壁的模式场在中间区域。

切线方向穿过窗口的磁场，看起来是不连续的，因为工作模式的磁场改变
了符号穿过耦合窗口。

但是局部的场强将会支配耦合窗口周围的局部的场强，使得整个切线方向的场强，连续的通过边界。

相应的穿过相临腔的工作模式的磁场方向对于非相邻腔的耦合符号的确定是非常重要的.
4.3 交叉耦合
交叉耦合可以用来实现滤波器性能的改进,例如准椭圆函数,恒定时延和非对称响应.四组和三节构成的交叉耦合都被认为是构成对称和非对称传输零点的
.
基本函数.相应的TE01模式腔体和他们等价的耦合谐振模式如下图
磁耦合被认为是正的耦合可以由电感形式来表示.非相邻的耦合,它与相邻耦合符号相反,可以用认为是一种负的耦合,可以用电容来标注.标注交叉耦合的符号是非常有意义的,在平面上四组和三节里通过窗口来实现交叉耦合是不一样的,通过探针实现也是一样的道理.与其他形式的腔体,例如波导和同轴相比,它的性能不是很真实,因为工作模式的场分布也是不相同的.
五、TE01δ模式介质谐振滤波器高低温解决方案。

5.1滤波器高低温分析
介质滤波器的高低温频率偏移由介质谐振器的频率温度系数和腔体本身的频率温度系数决定，而介质谐振器的频率温度系数Tf，由材料介电常数的频率温度系数和材料的膨胀系数共同决定。

算公式如下：
Tf = 1/⊿T*(⊿F/ Fr)
⊿T－温度变化值
⊿F－频率变化值
Fr－谐振频率
鉴于397x系列的通带对插损和近端抑制要求很严，能够允许的最大频率偏移量需控制在±150KHz以内。

这就需要对介质谐振器的频率温度系数进行合理的选取，使它与腔体的频率温度系数之和接近于零。

又由于介质滤波器因为其主要的电场都集中在谐振器内部，所以谐振器与谐振器之间，以及谐振器与输入输出端口之间的都不能够达到非常强的耦合，所以介质滤波器只适合用来做窄带相对带宽1~2%左右的滤波器。

窄带滤波器，带宽窄，带外抑制要求严格，所以要求滤波器在高低温环境下保持良好的温度稳定性，才能够满足客户要求。

5.2 改善方法
带通滤波器可近似看为是由几个单独的相同体积谐振腔，通过耦合窗口耦合在一起。

所以要完成一个温度稳定性良好的介质滤波器，只需要调整介质材料配方、工艺，而改变介质谐振器的温度系数，然后在金属单腔内进行测试得到理想的温度曲线。

5.3 测试夹具
采用和滤波器相同材料的金属制成单腔，并在两端任意位置打孔安装测试探针，探针采用普通SMA接插件前端焊接少许柔韧性好的金属丝构成，将谐振器稳固安装于腔体中央，当金属探头与谐振器轴向位置垂直时，可以用来测试TE 模式,当金属探头与谐振器轴向平行时，可以用来测试TM模式。

六、TE01δ模式介质谐振滤波器平均功率解决方案。

6.1 平均功率分析
平均功率容量又称为等幅波功率容量，平均功率容量主要会导致谐振器发热。

介质滤波器中，谐振器材料主要由金属氧化物陶瓷构成，其下的支撑柱材料也是三氧化二铝陶瓷，谐振器与支撑柱之间是由胶沾结在一起的。

陶瓷材料相比金属材料而言，不具备良好的导热性能和良好的延展性。

当信号源发生较大功率的等幅波功率时，由于滤波器的绝大部分能量是聚集在谐振器内部，所以谐振器急剧变热，如果谐振器热量不能很快到通过粘胶、支撑柱、传导到金属腔壁上，那么会产生两个非常严重的问题：
1、谐振器炸裂
如果谐振器成型烧结工艺不好，或者谐振器非常脆，谐振器、粘胶、和支撑柱材料热膨胀系数不能良好匹配的话，谐振器在急剧发热膨胀，但不能把热量有效传导出去的情况下，谐振器有可能炸裂，滤波器失效。

解决之道：
主要是介质谐振器供应商在谐振器技术上的体现。

介质供应商，应该制造可靠性非常高的谐振器，选择适当的粘胶，适当的支撑柱设计，优良的制造、粘结工艺。

2、滤波器整体通带频率偏移
金属腔体在高温情况下，会膨胀内部容积变大，如果谐振器本身频率不变化的话，那么单腔的谐振频率会相低漂移，为了解决高低温下单个谐振腔的谐振频率漂移尽量少，谐振器的温度系数要做成正温度系数，并且屏蔽腔越小，则需
要温度系数越大。

当平均功率施加时，谐振器发热，并且热量不能尽快的传导到金属腔体上，那么腔体不会发生膨胀，而谐振器单方面的发热，由于谐振器的正温度系数，谐振的频率向高漂移，使得滤波器的带外抑制不能够满足指标要求，通带内的插入损耗，驻波比变大，滤波器功能失效。

解决之道：
1、滤波器发热主要是因为滤波器内部的欧姆损耗引起的，要减小滤波器发热，最基本的是提高滤波器的内部的Qu,提高单个谐振器的无载Q能够有效的减小滤波器插入损耗，从而谐振器不会急剧变热，有利于滤波器内部尽快热平衡。

2、在保证滤波器温度稳定性的条件下，尽量的减小谐振器的温度系数使得谐振器发热时频率不至于漂移太多，在谐振频率发生漂移的情况下滤波器也能够满足规范书的要求。

3、单个谐振器的设计，谐振器是通过粘胶，支撑柱来安装到金属腔体上的，为了滤波器能够承受更大的平均功率，就要求谐振器材料，粘胶，以及支撑柱都有较高的导热率。

另外支撑柱的设计也是很关键的，支撑柱与谐振器粘结的地方应该是谐振器发热最严重的地方，一般是谐振器直径的三分之二的地方，支撑柱的高度不能过高，使得导热路径过长，也不能太低，使得谐振器离金属腔体太近使得Qu下降。

如下图：
4、改变滤波器内部的耦合结构。

由于滤波器输入端口处的谐振器承受功率较大，如果滤波器内部交叉耦合的处于输入端口时，传输零点很可能随着谐振器的发热发生漂移导致带外抑制不合格，所以在结构设计时应当使得交叉耦合远离输入端。

六个腔加两个传输零点的排腔方式
5、可以通过改变排腔方式以及传输零点的实现方式来改善平均功率的
承受能力，上图中的两个跨奇数节的交叉耦合何以由一个跨偶数节
的交叉耦合来实现两个带外对称的传输零点。

六腔加一对称飞的排腔方式
此种交叉耦合方式使得传输零点的能量由两个腔3、4来承受，相对前种排腔方式而言功率容量更大，但是这种交叉耦合方式由于滤波器的色散效应很难将传输零点调对称。

七、TE01δ模式介质谐振滤波器谐波问题。

TE01模式介质谐振器的谐波出现在工作频率的1.4倍附近， 通信系统一般都对2次，到3次谐波是有抑制要求的，一般可用一个低通滤波器串在带通滤波器前级或后级来抑制谐波。

在滤波器中间隔的排放金属谐振器和介质谐振器可以改善滤波器的谐波效应，但是这样也会降低滤波器的整体Qu,增加滤波器的插入损耗。

这种滤波器可以看做是一个介质的窄带滤波器和一个金属的宽带滤波器串联在一起，以上两种途径的插损估算公式如下：
111,,2
() 4.343, 4.343(),,n n n n n n k u u IL gk m
g g Q DR Q M ωω−==+×+∑ 4211
() 4.343, 4.343,,,n n k k u u IL gk n gk Q DR Q M ωωωω===+∑∑ 其中n ω，,gk n ，和,u Q DR 分别是滤波器相对带宽，滤波器低通原形参数，窄带DR 滤波器的无载Q 值。

ωω,,gk ω,,u Q M 是宽带梳状线滤波器的相关参数。

这种滤波器的尺寸相对于波导滤波器而言小了8~12倍，Q 值是相应金属谐振器的3~5倍。

两种途径中第一种有可能使的滤波器Q 下降30%到50%，途径二有可能使得滤波器Q 下降5%到20%。

如此看来途径一可以有效的减小滤波器体积，但是却增加很大的插入损耗，对于节数比较多的滤波器，看来途径2更是一种比较好的选择。

除此之外，滤波器的TM模式对于 TE模式而言对金属圆盘的调节更为敏感，当金属调节圆盘往下调节的时候，TE模式频率往高漂移，而TM模式迅速往下飘溢，所以在滤波器设计初期就应该优化使得DR频率比较恰当的使得金属圆盘调节范围尽量小，这样可以使得TM模式尽量远离通带，不干扰正常的工作模式。