現(xiàn)代濾波器設計講座(42介質諧振器)

1、電子科技大學電子科技大學 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設計講座（四）現(xiàn)代濾波器設計講座（四）介介質諧質諧振器振器序言序言 在過去的在過去的1010多年里用于制作多年里用于制作介質諧振器和介質濾波器的高介質諧振器和介質濾波器的高介電常數(shù)介質材料有了令人矚目進展。在材料的介電常數(shù)、損介電常數(shù)介質材料有了令人矚目進展。在材料的介電常數(shù)、損耗和溫度穩(wěn)定性等方面都有了很大提高。同時，價格也不斷降耗和溫度穩(wěn)定性等方面都有了很大提高。同時，價格也不斷降低。所以，介質諧振器、介質濾波器和介質天線被廣泛應用于低。所以，介質諧振器、介質濾波器和介質天線被廣泛應用于通訊、雷達和導航等領域。在基站用濾波器領域，同

2、軸諧振腔通訊、雷達和導航等領域。在基站用濾波器領域，同軸諧振腔濾波器的統(tǒng)治地位正受到來于自介質濾波器的挑戰(zhàn)。濾波器的統(tǒng)治地位正受到來于自介質濾波器的挑戰(zhàn)。2004年，年，Raafat R. Mansour在在IEEE Microwave Magazine上撰文預測，上撰文預測，在未來在未來5年之內，介質濾波器將會占有基站濾波器市場很大的份年之內，介質濾波器將會占有基站濾波器市場很大的份額。因此，重視基站用介質濾波器技術的發(fā)展，掌握基站用濾額。因此，重視基站用介質濾波器技術的發(fā)展，掌握基站用濾波器設計與制作技術是非常重要的。波器設計與制作技術是非常重要的。 介質諧振器的類型n根據介質諧振器使用的

3、電磁場模式，介質諧振器可以分成容積諧振模、回音壁模、干涉諧振模、準光模、復合結構空間簡并模和介質加載空腔模（屏蔽介質諧振器模）六種類型。n利用介質諧振器可以構成濾波器、振蕩器和天線等微波電路。有助于實現(xiàn)微波電路與系統(tǒng)的小型化。n介質諧振器是一個最基本的微波元件。容積諧振模n這種模式電磁能量主要集中在介質體內，確定諧振特性的主要是介質體容積諧振。介質體之外的場作指數(shù)衰減，周圍環(huán)境對這種模式只是一種微擾。n容積模按其場特征可分為TEM、TE（H）、TM（E）和HEM（HE或EH）模式。介質體一般取規(guī)則形狀，如矩形、圓柱形、圓環(huán)形和球型等。例如：圓柱介質的TE01模和HE11模介質諧振器n根據屏蔽狀

4、態(tài)則可分為四類：三維開放結構（處于自由空間的介質諧振器）、二維開放結構（介質諧振器位于兩個平行到電板之間）、一維開放結構（介質諧振器在柱形金屬管中）和零維開放結構（介質諧振器置于全屏蔽的金屬空腔之中）。回音壁模n對于旋轉對稱的圓盤和球型介質諧振器，當工作在高階周向模時就形成回音壁模，其電磁能主要集中在介質-空氣界面和焦散面之間，具有極高的Q值，且隨周向模指標的增加而增大。在毫米波和激光技術中，回音壁模有極廣泛的應用前景干涉諧振模n利用電磁波傳播過程中介質分界面的反射和透射效應形成一定的諧振特性。例如，波導介質諧振器（WDR）是在波導中引入一組矩形、柱形、盤形或球形介質，使該結構產生波導-介質諧

5、振。它的特點是本征譜較容積模稀疏，故可以通過截止波導消散模（Evanescent Mode）的耦合，以抑制寄生通道。介質加載空腔?；蚱帘谓橘|諧振模n根據介質體和金屬腔體間電磁相互作用的強弱，可分為微擾和強相互作用兩類。前者仍保持原系統(tǒng)的特征，后者使兩者“融合”成一體，構成全新的系統(tǒng)。例如，金屬空腔加入介質體后，在一定的加載條件下，則不僅使空腔模的場分布和諧振頻率變化。而且，還要產生新的模式和模式間的耦合及轉換。屏蔽介質諧振器當屏蔽對諧振器的場有極大影響時，也會產生新的模式和模式之間的耦合及轉換。這種模式依賴于腔體結構和介質體的幾何結構。準光模n這是一種存在于準光腔中的模式，主要用于毫米波或亞毫

6、米波波段。復合結構空間簡并模n用兩個或多個介質諧振器在空間正交組合，就構成了二維或三維空間復合結構，從而形成二維或三維空間簡并模。這種結構主要用于多模諧振器。介質諧振器的分析計算方法n對介質諧振器的分析計算可分為兩個方面，即電磁參數(shù)分析和電路參數(shù)分析。q電磁參數(shù)分析包括固有頻率譜（本征值）、固有品質因數(shù)（Q0值）和TEM、TE、TM、HEM模的場結構（本征模函數(shù)）。過去，電磁參數(shù)的常用求解方法有：模式匹配法、微分法、積分方程法、微擾法和數(shù)值解法。現(xiàn)在，主要使用仿真軟件。q電路參數(shù)分析主要是研究諧振器作為電路元件時的相關參數(shù)，即諧振器的激勵和諧振器之間的電磁耦合。從而得到相應的耦合系數(shù)和網絡參數(shù)

7、。目前這部分的分析也主要使用仿真軟件。介質諧振器的主要參數(shù)n介質諧振器的諧振頻率不僅與介質材料的形狀和介電常數(shù)有關，而且與包圍介質諧振器的環(huán)境、支撐介質等有關系。n當我們把介質諧振器作為濾波器的諧振單元使用時，我們主要關心工作模式是單模還是簡并模、工作模式的Q值和工作模式與相鄰模式的頻率間隔。n介質諧振器用相鄰模式諧振頻率fr與工作模式諧振頻率f0的比值表示工作模式與相鄰模式的頻率間隔。 FRmax=fr/f0圓柱和環(huán)形介質諧振器經驗設計公式圓柱介質諧振器n圓柱介質諧振器的基本模式n介質諧振器的空腔半徑大約是介質半徑的3倍。介質諧振器空腔的高度大約是4倍。圓柱介質諧振器模式圖h=5mm圓柱介質

8、諧振器模式圖h=50mm圓柱介質諧振器模式圖 當介質高度h小于28mm時，最低模式是TE01。當介質高度大于28mm時，最低模式是HE11。 介質高度h小于28mm時最低模式是單模。當介質高度大于28mm時，最低模式是簡并模。 圓柱介質諧振器模式終端短路圓柱介質諧振器模式終端短路圓柱介質諧振器模式終端短路圓柱介質諧振器模式環(huán)形介質諧振器圓環(huán)介質諧振器模式圖圓環(huán)介質諧振器模式圖 當介質高度h小于50mm時，最低模式是TE01。當介質高度大于50mm時，最低模式是HE11。 介質高度h小于50mm時最低模式是單模TE01 。當介質高度大于50mm時，最低模式是簡并模HE11 。 當h小于12mm時

9、，最低模式的相鄰模式是TM01。 終端短路環(huán)形介質諧振器終端短路環(huán)形介質諧振器模式圖終端短路環(huán)形介質諧振器模式圖 當介質高度L小于40mm時，最低模式是TM010。當介質高度大于40mm時，最低模式是TM110。 介質高度L小于40mm時最低模式是單模。當介質高度大于40mm時，最低模式是簡并模。 矩形介質諧振器n我們以一個三模介質諧振器為例。三模濾波器裝配圖梳狀介質諧振器半波長介質諧振器仿真計算結果模模1，電場，電場模模1，磁場，磁場模模2，電場，電場模模2，磁場，磁場同軸介質諧振器寄生通帶特性比較n主要影響因素：q模式性能；q材料特性，例如，r可實現(xiàn)帶寬n主要影響因素：q品質因數(shù)q材料特性制造成本n主要影響因素：q材料特性, QF；q諧振器尺寸和形狀；q二次工藝過程，研磨、電鍍、粘接等。無源交調（PIM）n主要影響因素：q材料成分、線性、 和工作模式；q輸入輸出諧振器的電磁場分布。r功率容量n主要影響因素：q材料成分、線性、 和工作模式；q電場分布、調諧機構和間隙。r設計適應性n主要影響因素：q非對稱響應、耦合矩陣和外部Q值；q電場和磁場分布。品質因數(shù)和體積n主要影響因素：q材料特性，Qf和 ；q電鍍、粘接工藝和工作模式Q值