現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)講座(42介質(zhì)諧振器)

1、電子科技大學(xué)電子科技大學(xué) 賈寶富賈寶富 博士博士現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)講座（四）現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)講座（四）介介質(zhì)諧質(zhì)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(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器的高介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器的高介電常數(shù)介質(zhì)材料有了令人矚目進(jìn)展。在材料的介電常數(shù)、損介電常數(shù)介質(zhì)材料有了令人矚目進(jìn)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(shí)，價(jià)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(shí)，價(jià)格也不斷降低。所以，介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器和介質(zhì)天線被廣泛應(yīng)用于低。所以，介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器和介質(zhì)天線被廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域。在基站用濾波器領(lǐng)域，同

2、軸諧振腔通訊、雷達(dá)和導(dǎo)航等領(lǐng)域。在基站用濾波器領(lǐng)域，同軸諧振腔濾波器的統(tǒng)治地位正受到來于自介質(zhì)濾波器的挑戰(zhàn)。濾波器的統(tǒng)治地位正受到來于自介質(zhì)濾波器的挑戰(zhàn)。2004年，年，Raafat R. Mansour在在IEEE Microwave Magazine上撰文預(yù)測(cè)，上撰文預(yù)測(cè)，在未來在未來5年之內(nèi)，介質(zhì)濾波器將會(huì)占有基站濾波器市場(chǎng)很大的份年之內(nèi)，介質(zhì)濾波器將會(huì)占有基站濾波器市場(chǎng)很大的份額。因此，重視基站用介質(zhì)濾波器技術(shù)的發(fā)展，掌握基站用濾額。因此，重視基站用介質(zhì)濾波器技術(shù)的發(fā)展，掌握基站用濾波器設(shè)計(jì)與制作技術(shù)是非常重要的。波器設(shè)計(jì)與制作技術(shù)是非常重要的。 介質(zhì)諧振器的類型n根據(jù)介質(zhì)諧振器使用的

3、電磁場(chǎng)模式，介質(zhì)諧振器可以分成容積諧振模、回音壁模、干涉諧振模、準(zhǔn)光模、復(fù)合結(jié)構(gòu)空間簡(jiǎn)并模和介質(zhì)加載空腔模（屏蔽介質(zhì)諧振器模）六種類型。n利用介質(zhì)諧振器可以構(gòu)成濾波器、振蕩器和天線等微波電路。有助于實(shí)現(xiàn)微波電路與系統(tǒng)的小型化。n介質(zhì)諧振器是一個(gè)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(zhì)體內(nèi)，確定諧振特性的主要是介質(zhì)體容積諧振。介質(zhì)體之外的場(chǎng)作指數(shù)衰減，周圍環(huán)境對(duì)這種模式只是一種微擾。n容積模按其場(chǎng)特征可分為TEM、TE（H）、TM（E）和HEM（HE或EH）模式。介質(zhì)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(zhì)的TE01模和HE11模介質(zhì)諧振器n根據(jù)屏蔽狀

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

5、振。它的特點(diǎn)是本征譜較容積模稀疏，故可以通過截止波導(dǎo)消散模（Evanescent Mode）的耦合，以抑制寄生通道。介質(zhì)加載空腔?；蚱帘谓橘|(zhì)諧振模n根據(jù)介質(zhì)體和金屬腔體間電磁相互作用的強(qiáng)弱，可分為微擾和強(qiáng)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(gòu)成全新的系統(tǒng)。例如，金屬空腔加入介質(zhì)體后，在一定的加載條件下，則不僅使空腔模的場(chǎng)分布和諧振頻率變化。而且，還要產(chǎn)生新的模式和模式間的耦合及轉(zhuǎn)換。屏蔽介質(zhì)諧振器當(dāng)屏蔽對(duì)諧振器的場(chǎng)有極大影響時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生新的模式和模式之間的耦合及轉(zhuǎn)換。這種模式依賴于腔體結(jié)構(gòu)和介質(zhì)體的幾何結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)光模n這是一種存在于準(zhǔn)光腔中的模式，主要用于毫米波或亞毫

6、米波波段。復(fù)合結(jié)構(gòu)空間簡(jiǎn)并模n用兩個(gè)或多個(gè)介質(zhì)諧振器在空間正交組合，就構(gòu)成了二維或三維空間復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而形成二維或三維空間簡(jiǎn)并模。這種結(jié)構(gòu)主要用于多模諧振器。介質(zhì)諧振器的分析計(jì)算方法n對(duì)介質(zhì)諧振器的分析計(jì)算可分為兩個(gè)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(zhì)因數(shù)（Q0值）和TEM、TE、TM、HEM模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)（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?，F(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(shí)的相關(guān)參數(shù)，即諧振器的激勵(lì)和諧振器之間的電磁耦合。從而得到相應(yīng)的耦合系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

7、。目前這部分的分析也主要使用仿真軟件。介質(zhì)諧振器的主要參數(shù)n介質(zhì)諧振器的諧振頻率不僅與介質(zhì)材料的形狀和介電常數(shù)有關(guān)，而且與包圍介質(zhì)諧振器的環(huán)境、支撐介質(zhì)等有關(guān)系。n當(dāng)我們把介質(zhì)諧振器作為濾波器的諧振單元使用時(shí)，我們主要關(guān)心工作模式是單模還是簡(jiǎn)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(zhì)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(zhì)諧振器經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式圓柱介質(zhì)諧振器n圓柱介質(zhì)諧振器的基本模式n介質(zhì)諧振器的空腔半徑大約是介質(zhì)半徑的3倍。介質(zhì)諧振器空腔的高度大約是4倍。圓柱介質(zhì)諧振器模式圖h=5mm圓柱介質(zhì)

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

9、，最低模式的相鄰模式是TM01。 終端短路環(huán)形介質(zhì)諧振器終端短路環(huán)形介質(zhì)諧振器模式圖終端短路環(huán)形介質(zhì)諧振器模式圖 當(dāng)介質(zhì)高度L小于40mm時(shí)，最低模式是TM010。當(dāng)介質(zhì)高度大于40mm時(shí)，最低模式是TM110。 介質(zhì)高度L小于40mm時(shí)最低模式是單模。當(dāng)介質(zhì)高度大于40mm時(shí)，最低模式是簡(jiǎn)并模。 矩形介質(zhì)諧振器n我們以一個(gè)三模介質(zhì)諧振器為例。三模濾波器裝配圖梳狀介質(zhì)諧振器半波長(zhǎng)介質(zhì)諧振器仿真計(jì)算結(jié)果模模1，電場(chǎng)，電場(chǎng)模模1，磁場(chǎng)，磁場(chǎng)模模2，電場(chǎng)，電場(chǎng)模模2，磁場(chǎng)，磁場(chǎng)同軸介質(zhì)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(shí)現(xiàn)帶寬n主要影響因素：q品質(zhì)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(diào)（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(chǎng)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(chǎng)分布、調(diào)諧機(jī)構(gòu)和間隙。r設(shè)計(jì)適應(yīng)性n主要影響因素：q非對(duì)稱響應(yīng)、耦合矩陣和外部Q值；q電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布。品質(zhì)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