双模滤波器分析报告.docx

1、双模滤波器分析报告介质双模滤波器总结报告1 简介带通滤波器是由微波谐振器构成的微波器件。目前通信基站用的滤波器，使用的谐振器主要是同轴谐振器（TEM模），也有许多采用介质谐振器。介质谐振器有无数种谐振模式1，因其主模TE01d模的Q0高，受到杂模影响小，在单模介质滤波器中用作构成滤波器通带；介质谐振器不同模式的谐振频率与介质的结构有关，合理设计介质尺寸，则介质谐振器会有两个或三个模式的谐振频率接近，有两个谐振频率接近模式的介质谐振器，可以用作双模滤波器（本项目中用到HE11d模）；有三个谐振频率接近模式的介质谐振器，可用作三模滤波器。相比于同轴谐振器，相同谐振频率的介质谐振器体积小，Q值高。其

2、模式分布复杂，杂模多而且距离通带模式（TE01d模）近。而双模介质谐振器比介质谐振器体积更小，杂模对滤波器响应的影响更大，较多用于窄带滤波。介质单模滤波器的分析参见白云鹏，贾雄杰的单模介质滤波器分析报告。名词解释：谐振波模式：电磁场在微波谐振器中的分布方式主模： 微波谐振器中，谐振频率最低的波模式高次模： 除主模外的波模式，按照谐振频率的由低至高分别称为第一高次模，第二高次模，第三高次模通带模式： 用于构成滤波器通带的波模式杂模： 不用于构成滤波器通带的波模式2 常规带通滤波器分析2.1 带通滤波器的电路原理分析： 图2-1. 带通滤波器电路原理图带通滤波器电路原理图如图2-12。在Desig

3、ner的电路中应用到的模拟元件有：端口，接地，电容，电感，电阻，1/4波长理想电长度传输线。在端口/接地与主电路之间的两段理想电长度传输线，分别模拟一个去归一化阻抗变换线（其作用为主电路去归一化，使其与50ohm端口匹配）和一个端口匹配阻抗变换线（实现该滤波器需要的有载Q值）。主电路中，一个电容、电感、电阻，形成一个串联谐振电路，模拟滤波器中的谐振单元，其中电阻用于模拟谐振单元的损耗。主电路中，每个理想电长度传输线模拟谐振器之间的耦合（邻腔耦合和交叉耦合），传输线阻值为谐振器之间的耦合系数。以上为集总元件电路分析。在微波实现时，没有去归一化阻抗变换线，端口匹配阻抗变换线用馈电强度调节；谐振电路

4、用微波谐振器实现，邻腔耦合用窗口实现，交叉耦合用窗口或者飞杆实现。 微波谐振器的种类很多，常用到的有同轴谐振器，波导谐振器，微带线谐振器，带状线谐振器，介质谐振器等。2.2 同轴谐振器中的电磁场分布 图2-2（a）电场分布 图2-2（b） 磁场分布 图2-2（c）耦合电场分布 图2-2（d）耦合磁场分布同轴谐振腔的主模是TEM模，是该类滤波器的通带模式，其余高次模的谐振频率远高于主模，在通带远端形成谐波。以下为一个原形同轴谐振器的例子：腔体直径32mm腔体高度30mm谐振杆直径9mm谐振杆高度26mm螺杆直径3mm螺杆长度8mm其主模频率为1775MHZ，第一高次模频率5460MHZ。高次模频

5、率距离主模频率远，在滤波器上串联一个低通滤波器就可以滤除。该类滤波器的腔之间通过窗口耦合，用耦合螺钉微调耦合强度。主模之间耦合形成通带，高次模之间的耦合形成谐波。腔之间的耦合电/磁场分布如图2-2（c）、图2-2（d）。这样的谐振单元和耦合关系，加上适当的馈电端口就构成了同轴谐振腔带通滤波器。3 介质谐振器与同轴腔谐振器的比较3.1 同轴谐振器：理想导体壁称为电壁。电壁上，电场切向分量为零，磁场法向分量为零，入射到电壁的电磁场将被完全反射，没有透射波穿过电壁。因此在由电壁构成的谐振器中，电磁场被束缚于谐振器里，处于谐振频率的电磁场在谐振器内形成驻波，能量不受损；其它频率上的电磁场则因为入射波与

6、反射波的叠加相消而逐渐衰减。3.2 介质谐振器：可见当介电常数足够大时，折射角为90度，此时入射波的折射波将不会透射到介质外面。介电常数越大，可被介质全反射的入射波的入射角越大，即被存储于介质中的电磁场能量越多，介质的无载Q值越大。在介质中，磁场的切向分量为零，电场的法向分量为零。与电壁相对应，理想的介质反射面称为磁壁。 图3 电磁波在介质界面上的反射与折射和同轴谐振器一样，介质也可以存储电磁波，用于制作谐振器。其主模为TE01d模。与同轴谐振器相比，其特点为：体积小，Q值高，谐振频率和Q值主要和介质有关。缺点是：成本高；因为电磁场主要集中于介质内，谐振器之间的耦合弱，不适合做宽带滤波器；用作

7、滤波器时，其第一高次模与主模谐振频率接近，因而谐波距离通带近。作为谐振器时，介质谐振器要远离金属（屏蔽腔和螺钉）以保证高Q值。因此谐振器不能直接安放在金属屏蔽腔上。常常把高介电常数的谐振器粘合在一个低介电常数的支撑柱上，再把支撑柱固定在屏蔽腔上。由于电磁波在高/低介质界面之间的折射，低介电常数支撑柱对谐振器的影响很小。例如：介质谐振器：直径36mm，厚度9mm，中间孔直径6mm，相对介电常数45；支撑柱：直径23mm，厚度9mm，中间孔直径17mm，相对介电常数9；腔体：长50mm，宽50mm，高30mm。则其主模谐振频率1.6643GHZ；第一高次模谐振频率2.1029GHZ，第二高次模谐振

8、频率2.1031GHZ，第三高次模谐振频率2.407GHZ。可见，与同轴谐振器相比，其高次模谐振频率离主模较近。4 双模滤波器 4.1 微波谐振器的模式（谐振电磁场的分布方式）每个微波谐振器有无数种谐振模式，与之对应的不同频率电磁波能量以各自的模式储存于谐振器中。谐振频率最低的模式为谐振器的主模，其余为谐振器的高次模。因为主模Q值高，杂模远的特点，滤波器常常使用谐振器的主模做为通带：同轴谐振器主模TEM模，介质谐振器主模TE01d模，圆形波导谐振器主模TE11d模，矩形波导谐振器主模因长/宽尺寸而异。电场和磁场的Z向分量为零的波模式，称为TEM模；电场Z向分量为零的波模式TEnmd模；磁场Z向

9、分量为零的波模式称TMnmd模；电磁场Z向分量都不为零的波模式称HEnmd模。n表示在X轴方向上电磁场的半波数；m表示在Y轴方向上的电磁场半波数；d表示在Z轴方向的半波数。4.2 介质谐振器的电磁场分布借助电磁场仿真软件HFSS，可以得到某一尺寸介质谐振器的各个模式的场分布图，以上面提到的介质谐振器为例：介质谐振器：直径36mm，厚度9mm，中间孔直径6mm，相对介电常数45；支撑柱：直径23mm，厚度9mm，中间孔直径17mm，相对介电常数9；腔体：长50mm，宽50mm，高30mm。（1） 第一个模式TE01d模的电场分布（谐振频率1.6643GHZ） 图4-1（a） 图4-1（b）（2）

10、第二个模式HE11d模的电场分布（谐振频率2.1029GHZ） 图4-2（a） 图4-2（b）（3）第三个模式HE11d模的电场分布（谐振频率2.1031GHZ） 图4-3（a） 图4-3（b）（4）第四个模式TM01d模的磁场分布（谐振频率2.407GHZ） 图4-4（a） 图4-4（b）（5）第五个模式HE12d模的电场分布（谐振频率2.4198GHZ） 图4-5（a） 图4-5（b）*其中第二、三个模式都是HE11d模，它们的谐振频率接近，电磁场相互正交。它们的电磁场独立，互不干扰。若在其间加入一个扰动，破坏正常的电磁场分布，则两种模式发生耦合（电磁能量的转换和传递）。这样就可能在一个介

11、质谐振器内实现模拟电路中的两个谐振器，这样的介质谐振器可用于制作双模滤波器。5 双模滤波器测试结论分析5.1 谐波及通带带宽平行耦合杆调谐螺杆45度耦合螺杆 图5-1（a）实物照片 图5-1（b）滤波器模型 图5-2（a）测试响应 图5-2（b）仿真响应* 在通带的低频端谐波，是由谐振器的主摸TE01d模造成，通带高频端的最近两个谐波分别是谐振器的TM01d模和HE12d模。可见双模滤波器的谐波距离通带很近。该结构中，45度螺杆用于调节一个谐振器内的两个模式之间的耦合，其余两个螺杆分别用于微调两个谐振模式的谐振频率。在介质之间有一个平行的金属杆，用于加强介质之间的耦合，调节此耦合杆的尺寸或者窗

12、口大小，可以改变滤波器带宽。加平行耦合杆前后的滤波器响应对比如图5-3所示： 图5-3（a）有耦合杆（28M） 图5-3（b）无耦合杆（8M）5.2 滤波器馈电方式 滤波器的馈电方式可以为：平行于电场的探针；垂直于磁场的磁环；由端口引出的接地线。1) 探针激励： 图5-4（a）探针耦合响应 图5-4（b）探针结构2） 磁环激励： 图5-5（a）磁环激励响应 图5-5（b）磁环结构3）接地激励：5.3 传输零点的控制 根据4.4的分析，该双模滤波器自身存在一个对称飞和两个感飞，感飞强度与馈电强度有关，在该结构中无法控制；对称飞存在于模式一和模式三之间，只要在两个介质之间加入一个垂直于介质的螺钉，

13、就可以对传输零点进行调节。传输零点调节螺钉 图5-6（a）垂直加调节螺钉的结构 图5-6（b）零点调节前后的响应图5-6（c）侧面加调节螺钉的结构 图5-6（d） 零点调节前后的响应*加入传输零点调节螺钉后，通带低频端和高频端的传输零点向通带靠近。在垂直于介质的面上加螺钉和在侧面加螺钉，对传输零点的调节效果相同。参考文献：1 Xiao-Peng Linag“ Modeling of Cylindrical Dielectric Resonators in Rectangular Waveguides and Cavities”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. VOL.41.NO12.December 19932. Dr. B.Mayer and Dr. M.H.Vogel “Efficient Design of Chebychev Band_Pass Filter with Ansoft HFSS and Serenade”Ansoft Corporation