微波滤波器和无源电路讲座(01)

电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（一）介质滤波器的设计序言在过去几十里用于制作介质谐振器和介质滤波器的高介电常数介质材料有了令人瞩目进展。在材料的介电常数、损耗和温度稳定性等方面都有了很大提高。同时，价格也不断降低。所以，介质谐振器、介质滤波器和介质天线被广泛应用于通讯、雷达和导航等领域。在基站用滤波器领域，同轴谐振腔滤波器的统治地位正受到来于自介质滤波器的挑战。2004年，RaafatR.Mansour在IEEEMicrowaveMagazine上撰文预测，在未来5年之内，介质滤波器将会占有基站滤波器市场很大的份额。因此，重视基站用介质滤波器技术的发展，掌握基站用滤波器设计与制作技术是非常重要的。介质滤波器容积模实体模5腔介质滤波器介质滤波器模型介质滤波器测试结果实体模介质滤波器介质多模滤波器容积模实体模实体模多模滤波器结构图纲要微波陶瓷材料；微波介质材料的主要特性；微波高介电常数介质材料的历史及现状介质谐振器；介质谐振器的类型；介质谐振器的分析计算方法；几种典型介质谐振器的计算结果及特性比较；介质滤波器；介质滤波器设计方法；几种介质滤波器的成功设计；改善介质滤波器调谐性能、温度漂移和寄生通带特性的方法；电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（一）微波陶瓷材料什么是高介电常数微波介质材料？高介电常数微波介质材料实质上是一种陶瓷材料。国外，七十年代以前把高介电常数微波介质材料称为特种陶瓷。早在1939年R.D.Rechtmeyer就做出了介质谐振器和滤波器。开始人们主要使用金红石（TiO2）陶瓷制作介质滤波器。但是，TiO2的温漂很大达到500PPm/Co。用这种材料制作的滤波器在X波段温漂可达到4MHz/Co。对微波介质材料的使用有很大的限制。上世纪80年代，微波介质材料的生产技术有了很大的发展。出现了多种新型微波陶瓷材料，特别是钡-钽系陶瓷材料的出现，使微波介质陶瓷进入了实用阶段。这种陶瓷材料的介电常数可以达到35，温漂小于2PPm/Co。Q值达到15000。用这种陶瓷材料制成的介质谐振器温度稳定性可以达到殷钢腔体的水平。此后，微波陶瓷材料进入大规模实际使用阶段。在卫星通讯、雷达和蜂窝电话系统中都有广泛使用。微波介质材料的主要特性介质材料的三要素：1、介电常数2050rεrε7590rε基站用：手机用：2、温度系数ετfτ3、损耗或品质因数Q30,000@1QGHz040,000250,000GHzQfGHz×()2fLεττα=−+介电常数的温度系数Lα介质材料的线膨胀系数1tanQδ≈基站用介质滤波器对介质材料的要求高介电常数，介电常数越大，谐振器的体积就可以做小。通常要求介电常数大于30为佳。高Q值，一般Q值大于3000以上。低温漂，温度系数小振荡频率比较稳定。一般要求为宜。20/oppmC±目前一些常用高介电常数微波介质材料的特性微波高介电常数介质材料的历史及现状在手机技术发展的初期，殷钢空气填充谐振腔被用于基站和手持系统的谐振器和滤波器。这些谐振器和滤波器体积大又笨重。在1980前后，用(Mg,Ca)TiO3,ZrTiO4,和BaTi4O9制作的第一代介质谐振器开始取代基站系统中使用的空气填充的谐振器和滤波器。在上世纪90年代初期，用于基站和手机的介质材料开始发生分裂。基站需要的是高Q值的介质材料。通常，Q值在40000Q×f0250000,材料的相对介电常数50εr25。与基站用介质材料不同的是手机用介质材料被小型化主导。材料的介电常数达到70εr120。这时，决定谐振器Q值的主要因素不是介质材料而是金属化。现在，在手机领域射频滤波器主要使用的是声表面波(SAW)和体声波(BAW)器件。它的体积更小。微波高介电常数介质材料的历史及现状（续）表一，列出了几种基站滤波器使用的高介电常数材料。仅有的例外是Ba4Nd9.33Ti18O54(BNT)-基系列材料早期被用于数字电视接收系统。目前在基站谐振器市场占主导的是CaTiO3–NdAlO3(CTNA)和ZrTiO4–ZnNb2O6(ZTZN)-基系列材料。近年来发展起来的Ba(Co,Zn)1/3Nb2/3O3(BCZN)-基系列材料以其低廉的价格正在逐步取代价格昂贵的BaZn1/3Ta2/3O3(BZT)-基系列材料。电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（一）介质谐振器介质谐振器的类型根据介质谐振器使用的电磁场模式，介质谐振器可以分成容积谐振模、回音壁模、干涉谐振模、准光模、复合结构空间简并模和介质加载空腔模（屏蔽介质谐振器模）六种类型。利用介质谐振器可以构成滤波器、振荡器和天线等微波电路。有助于实现微波电路与系统的小型化。介质谐振器是一个最基本的微波元件。容积谐振模这种模式电磁能量主要集中在介质体内，确定谐振特性的主要是介质体容积谐振。介质体之外的场作指数衰减，周围环境对这种模式只是一种微扰。容积模按其场特征可分为TEM、TE（H）、TM（E）和HEM（HE或EH）模式。介质体一般取规则形状，如矩形、圆柱形、圆环形和球型等。例如：圆柱介质的TE01δ模和HE11δ模介质谐振器根据屏蔽状态则可分为四类：三维开放结构（处于自由空间的介质谐振器）、二维开放结构（介质谐振器位于两个平行到电板之间）、一维开放结构（介质谐振器在柱形金属管中）和零维开放结构（介质谐振器置于全屏蔽的金属空腔之中）。回音壁模对于旋转对称的圆盘和球型介质谐振器，当工作在高阶周向模时就形成回音壁模，其电磁能主要集中在介质-空气界面和焦散面之间，具有极高的Q值，且随周向模指标的增加而增大。在毫米波和激光技术中，回音壁模有极广泛的应用前景干涉谐振模利用电磁波传播过程中介质分界面的反射和透射效应形成一定的谐振特性。例如，波导介质谐振器（WDR）是在波导中引入一组矩形、柱形、盘形或球形介质，使该结构产生波导-介质谐振。它的特点是本征谱较容积模稀疏，故可以通过截止波导消散模（EvanescentMode）的耦合，以抑制寄生通道。介质加载空腔模或屏蔽介质谐振模根据介质体和金属腔体间电磁相互作用的强弱，可分为微扰和强相互作用两类。前者仍保持原系统的特征，后者使两者“融合”成一体，构成全新的系统。例如，金属空腔加入介质体后，在一定的加载条件下，则不仅使空腔模的场分布和谐振频率变化。而且，还要产生新的模式和模式间的耦合及转换。屏蔽介质谐振器当屏蔽对谐振器的场有极大影响时，也会产生新的模式和模式之间的耦合及转换。这种模式依赖于腔体结构和介质体的几何结构。准光模这是一种存在于准光腔中的模式，主要用于毫米波或亚毫米波波段。复合结构空间简并模用两个或多个介质谐振器在空间正交组合，就构成了二维或三维空间复合结构，从而形成二维或三维空间简并模。这种结构主要用于多模谐振器。介质谐振器的分析计算方法对介质谐振器的分析计算可分为两个方面，即电磁参数分析和电路参数分析。电磁参数分析包括固有频率谱（本征值）、固有品质因数（Q0值）和TEM、TE、TM、HEM模的场结构（本征模函数）。过去，电磁参数的常用求解方法有：模式匹配法、微分法、积分方程法、微扰法和数值解法。现在，主要使用仿真软件。电路参数分析主要是研究谐振器作为电路元件时的相关参数，即谐振器的激励和谐振器之间的电磁耦合。从而得到相应的耦合系数和网络参数。目前这部分的分析也主要使用仿真软件。介质谐振器的主要参数介质谐振器的谐振频率不仅与介质材料的形状和介电常数有关，而且与包围介质谐振器的环境、支撑介质等有关系。当我们把介质谐振器作为滤波器的谐振单元使用时，我们主要关心工作模式是单模还是简并模、工作模式的Q值和工作模式与相邻模式的频率间隔。介质谐振器用相邻模式谐振频率fr与工作模式谐振频率f0的比值表示工作模式与相邻模式的频率间隔。FRmax=fr/f0圆柱和环形介质谐振器经验设计公式圆柱介质谐振器圆柱介质谐振器的基本模式介质谐振器的空腔半径大约是介质半径的3倍。介质谐振器空腔的高度大约是4倍。圆柱介质谐振器模式图h=5mm圆柱介质谐振器模式图h=50mm圆柱介质谐振器模式图当介质高度h小于28mm时，最低模式是TE01δ。当介质高度大于28mm时，最低模式是HE11δ。介质高度h小于28mm时最低模式是单模δ。当介质高度大于28mm时，最低模式是简并模。modechart11.522.533.50102030405060H[mm]Freq[GHz]mode1mode2mode3圆柱介质谐振器模式终端短路圆柱介质谐振器模式ModeChart2345678905101520253035L[mm]Freq[GHz]Mode1Mode2Mode3Mode4Mode5终端短路圆柱介质谐振器模式终端短路圆柱介质谐振器模式环形介质谐振器圆环介质谐振器模式图圆环介质谐振器模式图Modechart11.522.533.544.50204060H[mm]Freq[GHz]Mode1Mode2Mode3Mode4Mode5Mode6当介质高度h小于50mm时，最低模式是TE01δ。当介质高度大于50mm时，最低模式是HE11δ。介质高度h小于50mm时最低模式是单模TE01δ。当介质高度大于50mm时，最低模式是简并模HE11δ。当h小于12mm时，最低模式的相邻模式是TM01δ。终端短路环形介质谐振器终端短路环形介质谐振器模式图终端短路环形介质谐振器模式图ModeChart55.566.577.588.599.50102030405060L[mm]Freq[GHz]Mode1Mode2Mode3当介质高度L小于40mm时，最低模式是TM010。当介质高度大于40mm时，最低模式是TM110。介质高度L小于40mm时最低模式是单模。当介质高度大于40mm时，最低模式是简并模。矩形介质谐振器我们以一个三模介质谐振器为例。三模滤波器装配图梳状介质谐振器半波长介质谐振器仿真计算结果模1，电场模1，磁场模2，电场模2，磁场同轴介质谐振器寄生通带特性比较主要影响因素：模式性能；材料特性，例如，rε可实现带宽主要影响因素：品质因数材料特性制造成本主要影响因素：材料特性,QF；谐振器尺寸和形状；二次工艺过程，研磨、电镀、粘接等。无源交调（PIM）主要影响因素：材料成分、线性、和工作模式；输入输出谐振器的电磁场分布。rε功率容量主要影响因素：材料成分、线性、和工作模式；电场分布、调谐机构和间隙。rε设计适应性主要影响因素：非对称响应、耦合矩阵和外部Q值；电场和磁场分布。品质因数和体积主要影响因素：材料特性，Qf和；电镀、粘接工艺和工作模式Q值。rε耦合机构：外部耦合耦合机构：内部耦合耦合机构：交叉耦合关于谐振器类型和工作模式的几点考虑关于谐振器类型和工作模式的选择主要考虑以下三个方面：滤波器的尺寸；Q值；寄生特性；目前，圆柱和圆环单模主要使用TE01和TM01模。它们的Q值高。双模使用HEM11模，相同频率滤波器的体积可以减少30%。电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（一）介质滤波器介质滤波器设计方法在解决了腔体的计算问题以后，就可以进入滤波器的设计。在滤波器设计的第一阶段，就是根据系统要求给出滤波器的拓扑结构图。首先用电路软件验证拓扑结构的可行性。介质滤波器设计方法（续）滤波器设计的第二步，就是根据耦合矩阵的要求分别设计的激励和腔体之间耦合的机构。腔体激励和耦合机构的设计必须根据谐振器工作模式的场结构。例如，对圆柱谐振腔TE10δ模式的电场是与圆柱面共面的环形结构，磁场是与圆柱面垂直的环形。如果是电耦合，则输入、输出结构的导体必须与电场平行（至少有部分平行）。如果是磁耦合则耦合环平面必须要与磁力线垂直。下面是TE10δ几种常见的耦合方式。腔体激励方式的选择最好只激励工作模式，不激励其他模式。TE01δ模的激励EH11δ模的激励电激励腔体间的耦合腔体间的耦合系数可以用