双模滤波器分析报告.docx

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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2-1[2]。

在Designer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）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，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-PengLinag“ModelingofCylindricalDielectricResonatorsinRectangularWaveguidesandCavities”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques.VOL.41.NO12.December1993

[2].Dr.B.MayerandDr.M.H.Vogel“EfficientDesignofChebychevBand_PassFilterwithAnsoftHFSSandSerenade”AnsoftCorporation