（电磁场与微波技术专业论文）te01模介质谐振腔体滤波器的设计.pdf

摘要 摘要 本文以介质谐振器为起始 研究了介质谐振腔体滤波器的设计 文章首先介绍了介质谐振器基本的工作原理 围绕模式分离与q 值提高研究 了实际介质腔体滤波器中常用的工作在t e 0 1 模的介质谐振器的基本特性 并在此 基础上提出了一种新的介质谐振器结构 进一步提高介质谐振器模式分离度的同 时 也提高了主模的品质因数 接着作为应用 先研究了t e 0 1 模介质谐振器单腔的设计方法 以及腔体之间 耦合的设计 然后对介质腔体滤波器的交叉耦合进行分析 提出了实现的方法 在考虑实际器件实现的情况下得出加工图纸从而完成了整个t e 0 1 模介质谐振腔 体滤波器的设计 最后通过对实际器件的测量调试 总结出介质腔体滤波器的调试方法 实际 调试结果验证了设计理论的正确性 关键词 介质谐振器模式分离q 值交叉耦合 a b s 廿a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sb r i e f l yp r e s e n t st h ed i e l e c t r i cr e s o n a t o ra n de m p h a s i z e so nt h ed e s i g no f t e o lm o d ed rf i l t e r sw i t ht r a n s m i s s i o nz e r o s f i r s t l y t h eb a s i co p e r a t i o nt h e o r i e sf o rt h ed i e l e c t r i cr e s o n a t o ra r ei n t r o d u c e da n dt h e b a s i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h et e 0 1m o d eo ft h ed i e l e c t r i cr e s o n a t o ra r es t u d i e db ym o d e s e p a r a t i o na n di m p r o v e m e n to fqf a c t o r b a s e do nt h e s e an e wd i e l e c t r i cr e s o n a t o r s t r u c t u r ei sp u tf o r t h w h i c hh a sab e t t e rm o d es e p a r a t i o nw i t h o md e g r a d a t i o no ft h eq f a c t o ri nt h ei n t e r e s t i n gm o d e t h e n t h ed e s i g nm e t h o df o rt h es i n g l ec a v i t yd i e l e c t r i cr e s o n a t o rw o r k i n gi nt h et e 0l m o d ea n dc o u p l i n g sb e t w e e nt h ec a v i t i e sa r eg i v e n a t i e ra n a l y s i so nt h ec r o s s c o u p l i n g b e t w e e nd i e l e c t r i cr e s o n a t o r sl o a d e di nc a v i t i e s a ne f f e c t i v em e t h o dt or e a l i z et h e c r o s s c o u p l i n gi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h e s et h e o r i e s a n dt a k i n gt h el e a ld e v i c e s i n t oa c c o u n t 血ed e s i g no fa ni n t e g r a t e dt e 0 1m o d ed i e l e c t r i cr e s o n a t o rf i l t e r i s c o m p l e t e dw i t l lt h ed e s i g nd r a w i n g sa c q u i r e m e n t a tl a s t b ym e a s u r i n ga n dt u n i n gt h em i c r o w a v ed e v i c e s t h et u n i n gm e t h o d sa n d e x p e r i e n c e so fd i e l e c t r i cr e s o n a t o rf i l t e ra r es u m m a r i z e d a n dt h er e s u l t sv a l i d a t et h e c o r r e c t n e s so f t h ed e s i g nt h e o r i e s k e y w o r d d i e l e c t r i cr e s o n a t o r m o d es e p a r a t i o n q f a c t o r c r o s s c o u p l i n g 创新性声明 y85 86 1 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我 同工作的同志对本研究 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 本人签名 叠坦奎一 日期塑i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全 部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 保密的论文 密后遵守此规定 本人签名 导师签名 日期竺盟够 日期加 二 矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 介质谐振腔体滤波器的发展背景 介质谐振腔体滤波器的发展离不开介质谐振器的技术的成熟 介质谐振器虽然是上世纪六十年代才被人重视 七十年代才得到迅速发展的 一种新型微波元件 但它孕育的时间很长 课追溯到上世纪3 0 年代末 美国斯坦 福大学的学者r d r i c h t m y e r 在1 9 3 9 年就从理论上证明了 未金属化的高介电常 数和低损耗的介质可作为微波电磁谐振器 他把这种谐振器成为介质谐振器 但 由于当时的工艺和技术水平 没有研制出微波损耗足够小的高介电常数材料 因 而介质谐振器一直未能得到推广和应用 直到六十年代 由于材料科学和技术的 进展 研制低损耗 高介电常数的微波介质材料已有可能 同时由于空间技术的 发展 对电子设备的高可靠性和小型化的要求日益迫切 因此 对介质谐振器的 研究又重新活跃起来 进过几年的努力 七十年代终于在美国和日本等国先后研制成几种性能符合 要求的陶瓷介质系列材料 如钛酸钡 锆酸盐和钛酸锆锡 从此 介质谐振器才真 正作为一种新的微波元件用到微波电路中 应用到滤波器中 另外在现代通讯中 要实现高质量的移动通信 控制干扰信号进入通信信道 十分关键 一方面 要控制通信信道外的干扰对通信信道的影响 例如雷电干扰 及其他通信系统对移动通信的影响 如g s m 通信信号对c d m a 通信的干扰 另一 方面 在同一通信系统内还要控制通信通道之间的相互影响 为了达到此目的 在移动通信基站中就要设置高质量的微波滤波器 不管通信体制是时分制或是频 分制 这种微波滤波器都是必不可少的 当基站接收用户的信号时 要经过滤波器把通信信道外的干扰信号控制到一 定的水平 当与用户联系时 基站发往用户的信号 往往是大功率的 也要通过 滤波器把发射机产生的信道外的干扰信号控制到允许的电平 以免对邻近通道构 成干扰 这样才能保证通信的正常进行 满足上述用途的微波滤波器有两大显著的特点 即插入损耗小和选择性能好 要达此目的 这些滤波器通常采用具有一定尺寸的镀银同轴腔来制作 由于这种 同轴腔的q 值有限 约在几千的数量级 因此 总是在允许的条件下采用大尺寸 的腔体 以实现尽可能高的q 值来减小插入损耗 提高选择性能 在下一代移动通信的基站中 对基站的体积和重量有十分严格的控制 为此 必需减小滤波器的体积和重量 却又不能降低滤波器的性能 在材料 工艺和微 波技术发展到今天的情况下 用低损耗 高q 值 具有一定介电常数的陶瓷材料 t e o 模介质谐振趁体滤波器的设计 加载制成的介质滤波器的应用得到迅速发展 在现有的射频和微波通信器材中介 质滤波器己成为最重要 最常见的元件之 i 1 2 研究的目的和意义 近年来 随着移动通信的迅速发展 要求有更高性能的滤波器出现 特别是 无线通信业务的快速增长 极大得刺激了微波滤波器的小型化技术 在无线基站 系统中广泛应用的滤波器可以分为两大类 同轴腔体滤波器和介质谐振腔体滤波 器 前者尽管只有有限的q 值 但是却有着最低的生产成本 因此仍然广泛应用 于通讯系统 尤其是宽带应用 目前 对高性能无线系统的要求日益严格 使得 小型化 高性能的介质谐振腔体滤波器的发展越来越快 平面布局的t e 0 1 模介质滤波器与同轴结构的滤波器相比 有许多优越性 尤 其当它引入交叉耦合技术后 其性能几乎可以赶上h e l l 双模介质腔体滤波器 工 作在 0 1 模式的单模介质滤波器 在设计的简便性 布局的灵活性以及低成本的 加工费用上 都比双模滤波器更有优势 然而 t e 0 1 模滤波器的寄生模式也不容 忽略 本文从实际工作中的单腔滤波器出发 主要研究如何提高介质谐振器的寄生 带宽以及如何在介质谐振腔体滤波器中引入交叉耦合来实现其准椭圆的高性能 1 3 本文的主要工作 本文主要研究了t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计理论 其中包括单腔模型 的建立 耦合的设置 滤波器调谐等 第一章简单讨论了介质谐振腔体滤波器的背景 发展历史 应用领域和发 展前景 并讨论了t e 0 1 模介质滤波器的背景 第二章首先介绍介质谐振器的相关理论 接着围绕模式分离和o 值的提高 分柝了介质谐振器单腔中的调谐结构 最后提出了 种新的介质谐 第一章绪论 振器的结构 进一步来提高模式分离值 第三章主要讨论了t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计流程和调试过程 前 者包括单腔的设计 腔间耦合以及端耦合的设计 绘制加工图 后 者包括单腔的测量 双腔的调谐 六腔的调谐 总结了介质谐振腔 体滤波器的设计步骤及其调试步骤 重点论述了介质单腔的确定和 介质谐振腔中的交叉耦合 第四章作为结束 总结了本论文所作的工作 指出了论文中不足之处 对 下一步工作和学习作好计划 t e o i 模介质谐振腔体滤波器的设计 第二章t e 0 1 模介质谐振器 2 1 引言 介质谐振器是由一小段长度为 的圆形 矩形或环形低损耗高介电常数且高q 的 对温度变化稳定的介质波导制成的 使用时 常将它置于波导内或微带线基 片上 不同谐振模式的谐振频率取决于其几何尺寸及其周围环境 介质谐振器具 有体积小 q 值高 成本低 易与m i c 集成等优点 可方便地用于设计有源和无 源微波电路 本文介绍的t e 0 1 模介质谐振器主要用于微波滤波器中 t e 0 1 模介质谐振器是指以t e 0 1 模为主模式 工作在该模式频率下的介质谐 振器 通常为圆柱状或者圆环状 此模式有如下优点 电场和磁能都是圆对称 的 能量在介质谐振器内的集中程度高 其周围的金属引入的损耗小 介质谐 振器的q 值变化较小 模式容易辨认 其电性能容易比较精确地测量 q 值 较高 此模式的缺点是频率特性比较陡 t e 0 1 模式介质谐振器的稳定调谐带宽比 较窄 因此 本文的工作围绕如何提高寄生带宽来展开 2 2 介质谐振器的工作原理 理想导体壁f 电阻率为零 在电磁理论中称为电壁 在电壁上 电场的切向分量 为零 磁场的法向分量为零 电磁波入射到电壁上将被完全反射回来 没有透射 波穿过电壁 因此 用电壁围成一个封闭腔 一旦有适当频率的电磁波馈入 波 将在腔的电壁上来回反射 在腔内形成电磁驻波 发生电磁谐振 此时即使外部 停止向腔内馈送能量 已建立起来的电磁振荡仍无衰减地维持下去 可见电壁空 腔是一种谐振器 电磁能量按一定频率在其中振荡 当然 非理想导体壁构成的 空腔 也具有电壁空腔的类似特性 只不过外部停止馈送能量后 其内部己建立 起来的电磁振荡 不会长期地维持下去 将随时间面逐渐衰减 终于消逝 成为 阻尼振荡 谐振器中电磁振荡维持时间的长短 时间常数 是其q 值高低的一种度 量 现在我们来研究电磁波在高介电常数介质与交界面的反射和折射情况 如图 2 1 假设有一个平面电磁波e 由介质向空气入射 入射角为0 则在界面上有一 部分波被反射回来 称为反射波e 反射角0 等于口 另一部分波穿过界面 称 为透射波e 折射角为0 按照折射定律 入射角0 与折射角q 间的关系是 第二章t e 0 1 模介质谐振器 s i n o 3s i n 0 缴 瓢 尹 彭 2 1 图2 1 电磁波在介质界面上的反射与折射 由于相对介电常数8 总是大于1 故只总是大于目 当r 谚 良 s i n 1 i p 2 2 时新射角p 9 0 这时空气中的波沿界面传输 它的能量来自无限远处的场源 丽与入射波无关 谓之表面波 于是介质中的入射波能量全部反射回介质 没有平 均能流穿过界面 发生全反射 开始发生全反射的入射角0 称为临界角以 只要 入射角大于临界角 都要发生全反射 相对介电常数占 愈大 l 临界角愈小 如 s 3 6 则以 9 3 7 这样 即使波沿着很靠近界面的方向从介质斜入射 口 大 于9 3 7 到界面 能量也会全部反射回来 所以高介电常数介质的界面与导体壁 有类似的特性 能使电磁波发生完全的或近似完全的发射 当然 这两类界面的 性质不同 其对电磁波的发射特性也不尽相同 在高介电常数的介质界面上 磁 场切向分量近似为零 入射波与发射波的磁场切向分量近似相消 合成场的磁力 线近似垂直于介质界面 在电磁理论中 垂直于磁力线的壁 称为磁壁 故高介 电常数的介质表面可近似看成磁壁 只有占 o o 时 才是真正磁壁 在磁壁上 磁场切向分量为零 电场法向分量为零 它与电壁对偶 既然电壁所构成的空腔 可作为微波谐振器 显然 磁场所围的介质块亦可作为微波谐振器 所以高介电 常数介质块近似是个磁壁谐振器 电磁能量在介质块内振荡 不会穿过磁壁泄漏 到空气里 2 3 圆柱体介质谐振器的特性分析 分析研究介质谐振器特性的方法有好几种 如完全磁壁法 混和磁壁法 开 波导法 变分法 突变端法以及高介电常数的场展开法等等 这些方法的主要差 别表现在如何给定其数学模型 即如何描绘介质谐振器内外的电磁场分布上 完 全磁壁法和混和磁壁法的优点是简单直观 但磁壁模型对介质界面是一种比较粗 糙的近似 所以用这两种方法计算出的谐振频率 精度较差 只有百分之几 甚 至百分之十几 开波导法稍复杂些 但精度较高 约为3 左右 其余方法则更复 6 t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 杂些 但精度更高 一般在l 以内 在微波电路中 通常用混和磁壁法或开波导 法来计算谐振频率就满足需要 因为利用电路中的频率微调措施 可将其调整到 正确频率上 圆柱形介质谐振器的场分布和谐振频率的分析方法 基本上与矩形谐振器的分 析方法相类似 这里就只介绍开波导法 图2 2 示出圆柱形介质谐振器的实际电路结构与开波导模型 在此模型中把谐 振器的上下金属板所限定的区域分为六个区 其中l 2 3 4 区域中有电磁场分 布 5 6 区域中的电磁场可忽略 即认为是零场 区域1 2 成一段介质波导 3 和4 构成两段终端短路的截止波导 其壁可能是电壁 也可能是磁壁 视谐振模 式而异 下面用开波导法求解圆柱形介质谐振器t e 模式的谐振频率 图中 占l 占以 s r l s 3 占r 3 1 式中 喁 图2 2 屏蔽圆柱形介质谐振器及其分区 2 3 户2 女 一女 k 女 1 鑫卷箬 七 由2 硒 j k r 和k 分别为零阶贝塞尔函数和第二类变态贝塞尔函数 a a 0 是待定常数 t e m 模式只有h 2 h 和e 三个分量 由f a 处h e 连续条件 可以得到 玉堕 盟 of 2 5 甜o w k o w 式中 u k 口 w k c 2 a 又由z 1 处h e 连续条件 可以得到 蔓三兰 塑 壁坌堕堕量矍 三 一一 犀增 肚 0 a 3 c t h a3 h f 或者 肛 咿一三 p r c a r c t g f l 廊口s h f p 0 3 2 6 由z 0 处h e 连续条件则可得 f l c t g o 口4 c t h c t 4 h 或者 p 三一甜c f g 等砌咖 2 7 2 口 由式 2 6 和式 2 7 求得k 和 后 谐振频率可由下式求得 o2 焘厮万 陋8 式中c 为光速 上述公式不便工程使用 卡杰费斯 2 1 给出了给定谐振频率时m i c 中t e 模式圆柱形介质谐振器几何尺寸的计算方法 1 谐振器的直径 d 2 a 选定在如下范围内 击m 鲁 如 s 2 o i 式中 2 计算k c 值 女d 2 4 0 5 口 2 4 0 5 a 1 2 4 3 i o 0 2 9 1 y o 2 1 0 矗 瓜万瓦j 丽 2 1 1 3 计算t e 6 模式的传输常数卢 4 衰减常数a 3 和c t 4 p 藤磊2 2 1 2 口 厮 a 雁j 丽 2 1 3 5 求谐振器的高度1 z 水坦弘姒叫 c 辔弘删江 当已知介质谐振器的几何尺寸时 亦可用上述各式来确定介质谐振器的谐振 t e d t 模介质谐振腔体滤波器f j 勺设计 频率 圆柱形介质谐振器的最低次模可能是t e 模 也可能是t m 模 主要由形 状比l 1 9 或l 2 a 来确定 一般情况下 只要选取l d 小于0 7 或d l 大于1 4 就可以保证谐振器的最低次模是t e 模 圆柱形介质谐振器t e 模式的特征方程为 p 厅 2 a r c t g 口 卢 p 5 万 2 1 5 式中勋 e a r c t g a 口 r c 故有0 8 1 而p 是场沿z 向分布的半驻波数 这样 圆柱形介质谐振器t e 模式可表示为t e 最低次模式为t e 模式 在后文 中简写为t e 0 1 模 图2 3 表示t e 0 1 模式的场结构 其磁力线在子午面上 而电 力线是绕z 轴的同心圜 从远处看 这种模式好像一个磁偶极子 故有时称之为 磁偶极子模 当s 约为4 0 时 t e 0 1 模中贮存的9 5 以上的电能及6 0 以上的磁 能位于介质谐振器里面 其余能量分布在其周围空气中 且随着离谐振器表面距 离的增大而迅速衰减 图2 3 圆柱形介质谐振器t e 0 1 模式的电场图和磁场图 2 4 介质谐振器的品质因数 介质谐振器的品质因数 简称q 值 是其在电路应用中一个重要指标 定义 为 q 竺尝 2 1 6 式中 0 3 是谐振频率 w 是谐振器储存的总电磁能量 p 是功率损耗 它包括各种可 能的功率损耗 对于放在自由空间的孤立介质谐振器 其损耗为谐振器本身的介质 损耗及辐射捩耗 对于电路结构中的介质谐振器 除上面两种损耗外还要考虑谐振 第二章t e o i 模介质谐振器 器周围的其它介质损耗和导体损耗 因此 介质谐振器的功率损耗可写为 j d 只 只 最 2 一1 7 其中乃是所有的介质损耗 只是导体损耗 最是辐射损耗 由此可得介质谐振器 的无载q 值为 臻2 若麓 p 或写成 一1 上 土1 上 2 1 9 q 一十一一 l q q dq q r 1 式中 q a w 匕是由所有介质损耗决定的q 值 当不考虑谐振器周围的其它介 质损耗时 它等于谐振器的材料的损耗角正切的倒数 即 q l t 9 6 2 2 0 q w 只是由谐振器周围的导体损耗所决定的q 值 若其周围没有导体 则此值 为m 故不予考虑 q r 0 9 b 是由辐射损耗所决定的q 值 如果谐振器被屏蔽 起来 则最为零 可以不考虑该项q 值 如果谐振器是开放的 则需计算这个q 值 要使介质谐振器在电路中保持较高的q 值 必须注意以下几点 1 应在屏蔽条 件下应用 2 选择适当的形状比 圆柱形介质谐振器的d l 一般选在1 5 到2 5 范围内为宜 这样的形状比既有较高的q 值 又可抑制t m 模等 方形谐振器的形 状比a l 亦可参考此值 3 在电路中应选用低损耗 小介电常数的材料作为支 撑衬底 同时应使谐振器与金属外壳或底座保持足够的距离 2 5 介质谐振器的模式 介质谐振器中存在着多个模式 每一种模式都有它自己的场分布 研究实际 器件中能量的传输时需要考虑里面的场分布 因此 有必要把介质谐振器常出现 的几个模式的场研究 下 在不同的模式对应不同的谐振频率 可以根据场分布来判断该模式是否为工 作主模式 本节基于高频仿真软件h f s s 以实际中常采用的圆环型介质谐振器为 例 比较各模式的场图 1 t e 0 1 模 竺 望 塞坌垦堕薹壁笪鲨鎏塑堕堡堕 一 一 2 t m 0 1 模 图2 43 e 0 1 模的场图 iii l i 划 l jj 熏篱 霆霍黑黔i 鬻豢心 电场图 3 h e m l l 模 磁场图 一一 7 图2 51 m 0 1 模的场图 电场图 磁场图 图2 6h e l l 模的场强 第二章t e 0 1 模介质谐振器旦 此外 还有其它高次模式 可以参考文献 3 当要求介质谐振器工作在某 模 式时 其他的模式统称为寄生模式 如何让介质谐振器更好地工作在要求模式 即抑止寄生模式 可以参考文献 下面两节将对主模是t e 0 1 模的介质谐振器 在调谐结构和介质谐振器本身的形状上作讨论 2 6t e 0 1 模介质谐振器调谐结构的研究 介质滤波器关于寄生模式的抑制一直是个研究重点 通常情况下 都是加一个 低通滤波器实现 研究发现 工作在t e 0 1 模的介质谐振腔 随着传统调谐结构 金 属调谐 的引入 可能会产生低次模 此时 如果加一个带通滤波器来抑制寄生 模式 增加了设计难度和调试时间 实现上亦不方便 本节通过h f s s 软件研究不 同材料组成的调谐结构对场模式的影响 得到了抑制低次模 增加t e o l 模工作带 宽和提高q 值的一种最佳材料组合 典型的t e 0 1 模单腔介质谐振器如右图 2 7 所示 它主要由三个部分组成 调谐结 构 介质谐振器以及介质支撑 介质谐振器 中间的小孔主要用来固定该谐振器 同时它 还对提高介质谐振器的模式分离有帮助 介质谐振器外面的腔体可以是圆柱腔 也可以是矩形腔 图示的例子采用后者 图2 7 典型的t e o i 模单腔介质谐振器 调谐结构是滤波器设计中不可或缺的 元件 它可以使得因加工精度等造成的问题通过调谐元件来解决 设图2 7 中调谐 杆的长度为i r o d 其他的参数设置如下 腔体的尺寸是3 4 x 3 4 x 2 6 r a m 3 介质谐 振器的直径与高度的比值为2 5 其介电常数为2 9 该材料的损耗角正切为0 0 0 0 1 调谐圆盘的厚度是2 m m 作为调谐结构的两种材料 我们以金属银和介电常数为 4 5 介质损耗角正切为0 0 0 0 1 的介质材料 为研究对象 如表2 1 所示 有四种可能 的组合 1 调谐杆和调谐盘都是金属 当l r o d 从3 m m 调谐至 i j 8 m m 的时候 由 h f s s 模拟其本征模式而得的前三个模式的 表2 1 调谐材料的四种组合 类型调谐杆调谐盘l 金属金属l 2 金属介质 3 介质 金属 4 介质 介质 本征频率如表2 2 所示 由场分布可以判断出t e 0 1 模 和其他两个寄生模式t a o d l 和 m o d 2 其频率值按频率由低到高分别记为f m o d l 1 1 f m o d 2 t e o 模介质谐振腔体滤波器的设计 由表2 2 可以看到 随着调谐杆长度的增加 t e 0 1 模的谐振频率增加 而m o d e 的谐振频率减少 当i r o d 4 m m b 寸m o d l 成为主模 换句话说 在t e 0 1 模下面出现了低次模 称i r o d 4 m m 为主模变换长度 图2 8 显示 各模式频率的变化规律 图2 9 是各模式所对应的q 值 可以看到 m o d e 2 的q 值最高 表2 2 全金属调谐时各模式的频率 g h z 表2 3 金属秆介质盘时各模式的频率 o h z i r o d m m f t e 0 1f m o d lf m o d 2 33 4 8 3 63 8 6 4 34 9 3 1 5 43 4 9 9 93 5 0 6 04 9 1 0 0 53 5 2 6 63 1 8 2 24 8 8 4 9 63 5 7 1 02 8 8 9 34 8 4 1 8 73 6 4 0 72 6 1 3 74 7 6 7 7 8 3 7 5 9 8 2 3 1 6 34 5 8 3 0 l r o d m m f t e 0 1f m o d lf m o d 2 33 4 4 8 94 1 3 8 9 4 8 8 3 1 43 4 3 8 03 7 9 7 74 8 6 1 7 53 4 2 1 33 4 8 5 84 8 3 9 0 6 3 3 9 5 83 1 9 4 54 8 0 0 9 7 3 3 5 7 82 9 0 9 44 7 5 2 7 83 3 0 2 22 6 1 6 9 4 6 3 3 3 t e 0 1 模次之 m o d e l 的q 值最低 随着调谐杆长度的增大 各模式所对应的q 值降低 究其原因 是因为随着金属板与介质谐振器距离的减小 金属损耗增大 2 调谐杆是金属 调谐盘是介质 在h f s s 中改变 1 中的材料设置 其他条件不变 计算结果如表2 3 所示 图2 8 为各模式变化曲线 可以看出 模式的频率变化规律与 1 类似 但t e 0 1 模的谐振频率随着调谐杆长度的增加 而缓慢减少 主模变换的调谐杆长度约为 5 r a m 比情况 1 的主模变换长度长了l m m 图2 9 是该情况下各模式对应的o 值 可以看到 随着t e 0 1 模频率的降低 对应q 值也慢慢减小 不过变化没有情况 1 时大 i r o d m m l 图2 8 全金属调谐时的模式图 i r o c l r n r n 图2 9 全金属调谐时各模式的q 值曲线 第二章t e 0 1 模介质谐振器 图2i 0 金属杆 介质盘调谐时模式图 k o d m m 图2 1 1 金属杆介质盘调谐时各模式0 值曲线 3 调谐杆是介质 调谐盘是金属 h f s s 的模式谐振频率计算结果如表2 4 所示 图2 1 l 和图2 1 2 分别为各模式的频 率变化n i q 值变化曲线 可以看出 模式的频率和q 值变化与情况 1 非常相似 但主模变化长度在7 3 m m 左右 表2 4 介质杆金属盘时各模式的频率 g h z 表2 5 全介质调谐时各模式的频率 g h z l r o d m m f t e 0 1f m o d lf m o d 2 33 4 8 3 44 4 4 8 74 9 1 0 5 43 5 0 3 04 2 5 8 74 8 9 5 6 53 5 3 1 94 0 7 9 64 8 7 3 5 63 5 7 4 13 9 0 2 04 8 2 6 0 7 3 6 4 5 3 3 7 2 9 84 7 5 5 6 837 6 1 23 5 3 8 94 5 6 2 2 l r o d m m f t e 0 lf m o d lf m o d 2 33 4 4 6 64 5 2 4 54 8 5 2 5 43 4 3 4 94 3 3 4 74 7 8 9 5 53 4 1 5 34 1 5 1 54 7 3 2 7 6 3 3 8 4 13 9 7 5 04 7 1 8 0 7 3 3 4 0 03 8 0 3 64 7 0 0 7 83 2 7 6 43 6 2 1 04 6 0 2 6 4 调谐杆和调谐盘都是介质 h f s s 的频率和q 值的计算结果如表2 5 所示 图2 1 2 和图2 1 3 所示为各模式的频 率变化和q 值变化曲线 可以看到 这种情况下在调谐杆可调范围内 主模始终是 t e 0 1 模 而且q 值变化缓慢 此外 比较图2 8 2 1 0 2 1 2 2 1 4 可以看到 在保 证主模为t e 0 1 模的条件下 情况 4 时的主模工作带宽晟宽 i r o d r a m l 图2 1 2 介质杆 金属盘调谐时的模式图 m f 图2 1 3 介质杆金属盘调谐时各模式q 值曲线 t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 i r 0 0 m m 图2 1 4 全介质调谐情况下的模式图 0 6 m m l 图2 1 5 全介质调谐时各模式的q 值曲线 上面的四种情况还显示了 调谐盘是金属的时候 随着调谐盘与介质谐振器距离 的接近 谐振频率增大 而当调谐盘是介质的时候 谐振频率减小 谐振腔的谐 振频率可以用下式来表达 厂 葫1 丽 2 2 1 其中l 表示腔的等效电感 主要与腔中的磁场相关 c 表示腔的等效电容 主要 与腔中的电场相关 当介质调谐盘往下调谐时 介质盘压缩磁场 等效电感增大 于是频率减小 而当金属调谐盘往下调谐时 电场变化不大 而金属盘与上腔壁 等效的电容减小 因而频率增大 另外在相同的调谐范围下 介质盘调谐所能调谐的频率范围比金属盘调谐要 小 但是金属调谐有主模调谐长度 即深度调谐容易激励起寄生模式 综上所述 当调谐盘为金属时 随着调谐杆长度的增加 t e 0 1 模的谐振频率 减少 q 值剧烈减少 而当调谐盘为介质时 t e 0 1 模的谐振频率增加 q 值缓慢减 少 从保证t e 0 1 为主模 主模工作带宽和q 值变化等因素考虑 采用全介质调谐 结构是最佳选择 2 7 介质谐振器的新结构的研究 上一节我们研究了介质谐振器调谐结构对介质谐振器腔模式分离的影响 这 一部分将从介质谐振器本身的结构出发 不考虑调谐结构 研究介质谐振器本身 的结构对整体模式分离的影响 定义主模t e 0 1 如 与最近寄生模式的频率氏一的模式分离度 m s m s l 厶0 l 一九 l 磊o 1 0 0 2 2 2 第二章t e 0 模介质谐振器 图2 1 6 所示为传统环状介质谐振器单腔 各参数的数据为 2 a 3 4 r a m 三 2 6 4 r a m 2 b 1 8 4 r a m z 7 3 6 r a m 8 r a m 2 c 1 0 m m 2 d 6 4 4 r a m 先研究传统介质谐振器单腔中介质谐 振器本身尺寸的比例对模式分离度的影 响 其他尺寸不变 仅改变介质谐振器的 高度 基于h f s s 仿真 得到环状介质谐振 器随1 值变化的模式分离度 如图2 1 7 所 示 显然当1 2 b 的值0 4 时 能获锝较好的 模式分离值 图2 8 显示了对应t e d 模的q 值变化 图2 1 9 显示了介质谐振器中间丌 孔的直径大小对模式分离度的影响 从图 中可以看出 当d b 0 4 时 有晟佳的模 式分离值 图2 2 0 为对应的主模q 值变化 下 介质损耗越小 从而q 值逐渐增大 r a t i o 1 1 2 b 图2 1 7 环状d r 随1 值变化的模式分离度 r a t i o d b 图2 1 9 环状d r 随d 值变化的模式分离度 i 至垒 1 0 图2 1 6 传统的环状介质谐振器单腔 显然 孔越大 在腔体损耗定值的情况 8 呈 善 吕 卜 芑 专 石 器 d r a t i o 1 2 b 图2 1 8 环状d r 随l 值变化的t e 0 1 模的q 值 8 基 卜 o 2 卫 a r a t i o d b 图2 2 0 环状d r 随d 值变化的t e 0 1 模的0 值 一孚一uo口坦bd mpo三 一搴一co qed m口o 1 6 t e o i 模介质谐振腔体滤波器的设计 提出的改变结构如图2 2 l 所示 在保 持传统介质谐振器环状结构的基础上分别 在介质谐振器的顶部和底部的最外围切割 了一一个高h 内部直径为2 e 的小环 这种新 结构和传统介质谐振器的结构主模及第一 高次模的场分布如图2 2 2 所示 可以看出两种结构介质谐振器的主模 t e 0 1 模的电场与磁场基本一致 而他们各 自第一高次模的电场变化很大 对于传统 图2 2 1 改变d r 结构的单腔 环状介质谐振器 电场在介质谐振器的上表面和下底面比新结构的电场更大 因 此 新结构的介质谐振器通过改变高次模的谐振频率来提高它的模式分离度 而 主模电场的频率变化很小 i t e 0 1 模的电场图 俯视图 0 亡 l i 一 酬 菇 一j j 小 i i t e 0 1 模的磁场图 侧视图 a 传统结构的d r 0 i 0 一 湖 j 引 j i 纛牒茎 形铈删j 番 j 吾 一嗣下 i t e 0 1 模的电场图 俯视图 i i t e 0 1 模的磁场图 侧视图 i i i 第一高次模的电场图 侧视 图 b 改变结构的d r 图2 2 2 传统结构与改变结构的d r 某些模式的场图 为了分析新结构介质谐振器的模式分离度 同样用h f s s 仿真来研究该结构的 尺寸关系 图2 2 3 显示了在三种不同孔径比值 d b o 2 5 d b 0 3 5 d b 0 4 5 第二章t e 01 模介质谐振器 下 新结构的模式分离度随切割环的内径e 的变化曲线 对应的切割环的高度 h l m m 其相对主模的q 值如图2 2 4 所示 图2 2 5 显示了切割环的内径e 8 r a m d b o 3 5 时新结构的模式分离度随着切割环高度h 的变化曲线 图2 2 6 为其对应的 主模q 值 综上所述 通过改变传统环状介质谐振器的形状 采用合适的尺寸可以获得 更高的模式分离度 从而在滤波器设计中更具有优势 o o o r o o 母 a r a t i o e b r a t i o e b 三种孔径条件下新结构d r 的模式分图2 2 4 三种孔径条件下新结构d r 的t e 0 模 e 的变化曲线式q 值随e 的变化曲线 r a t i o h i 图22 5 新结构的模式分离度随着h 的变化曲 线 8 8 r 善 2 譬 a r a t i o h i 图2 2 6 新几个d r 的t e 01 模式q 值随h 的变 化曲线 t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 第三章t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 3 1 介质谐振腔体滤波器概述 介质谐振腔体滤波器是指在腔体中填充介质谐振块的滤波器 它与普通波导 滤波器的本质区别在于其谐振结构为介质谐振器 因此在相同频率段 它的体积 比波导滤波器小的多 而且q 值高的多 其工作原理如下 当滤波器的输入激励信号的频率偏离滤波器中介质谐振器 的谐振频率时 谐振器不谐振 输入信号将被截止波导所衰减 输出端机会没有 信号输出 这就是该滤波器的阻带 当输入激励信号的频率等于或接近介质谐振 器的谐振频率时 输入信号就通过耦合结构激发邻近谐振器 使其产生t e 0 1 模 圆 柱形谐振器 或t e l l 模 方形谐振器 它可等效一个磁偶极子 此磁偶极子又 激发相继的谐振器产生同样模式的谐振 这样 一个又一个将信号传输过去 最 后通过输出耦合结构将信号输出 这就构成了滤波器的通带 通过在腔与腔之间 引入交叉耦合 在通带外实现传输零点 从而进一步提高滤波器的性能 本章将设计一个介质谐振腔体滤波器 指标为 中心频率3 4 9 g h z 带宽 1 6 m 回波损耗 1 5 d b 带内插损兰1 2 d b 通带波纹 o 4 d b 带外l 月 3 0d b 3 4 7 7 m h z 3 5 0 3 m h z 根据滤波器综合理论 m i1 9 得出滤波器参数如下 滤波器阶数n 6 传输零点位置 3 4 7 8 4 m h z 3 5 0 1 6 m h z 耦合矩阵 m 00 7 5 1 7 5000 0 0 7 5 9 0 0 7 5 1 7 500 5 7 3 9 00 0 0 1 5 8 o 0 4 2 1 2o 0 0 5 7 3 9 000 5 5 6 0 400 00 0 0 1 5 80 5 5 6 0 4 00 5 7 3 9 00 0 0 0 4 2 1 200 5 7 3 9 000 7 5 1 7 5 0 0 7 5 9 00000 7 5 1 7 50 第三章t e o i 模介质谐振腔体滤波器的设计 对应耦舍系数 的矩阵 由t 肘x 譬 得 k 00 3 6 18 80o0 00 3 6 5 3 0 3 6 l8 800 2 7 6 2 80 0 0 0 7 60 0 2 0 2 80 00 2 7 6 2 800 2 6 7 6 60 0 00 0 0 0 7 60 2 6 7 6 600 2 7 6 2 60 00 0 2 0 2 800 2 7 6 2 600 3 6 1 8 8 00 3 6 5 30000 3 6 1 8 8 0 3 2t e 0 1 模介质谐振器单腔的设计 1 0 一2 介质谐振器单腔的设计主要包括单腔各组成部件的尺寸大小与材料选择 1 腔体的设计 应该按照腔体的无载q 值较高和寄生 模晟少来选择尺寸 对于图3 1 所示的矩形腔体 a b c 分别为三边长 单位为英寸 该腔体内部 存在无限多个振荡模 可分为t e i m 模和 b z m 模 整数f h 分别表示 z e 和h 沿x 半周捌变化的数日 m e 和h 沿y 半周期变化的数目 n e 和h 沿z 半周期变化的数日 图3 1 矩形腔 意图 给定一组整数 即能确定模式 该模式的谐振频率为 厂锄 3 4 8 2 伊 b m 2 i a b 叫 3 1 cld 由式3 1 可蛆得出 腔体尺寸越大 其谐振频率越低 当尺寸为 4 0 r a mx 4 0 r a m 4 0 m m 时 它由3 1 式计算出来的最低模式t e 模的谐振频率约为 5 3 0 g 对应h f s s 模拟的数值为5 2 9 7 1 g 因此 当选择腔体的尺寸比该尺寸更 小时 腔体的模式对工作在l 波段和s 波段的介质谐振器的影响就很小 腔体的无载q 值 可毗取无量纲形式q d m 其中d 是集肤深度 丑是自由 腔体的无载q 值 可阱取无量纲形式q u 6 z 其中d 是集肤深度 丑是自由 t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 空间波长 表面无腐蚀并经抛光的银和铜的酬 值分别为6 7 6 1 0 6 瓦了和 6 9 5 1 0 如 式中厶c 指以g h z 为单位的频率值 以t e 模为例 其统5 i x 值为 乳呲q 要 警 而而 q 2 丽r 2 3 2 3 2 当删i l t q 鲁 警 而鬲 q 2 而 r 2 丽 3 2 面 3 3 式中 p t a q m b r c 由3 2 3 3 式可以知道 腔体的无载q 值随着尺寸的增大而变大 其变化规 律与谐振频率相反 为了减小金属腔体的损耗 矩形腔体的边长一般设置为大于介质谐振器直径 的1 5 倍 腔体的高为介质谐振器厚度的3 倍左右 在通常情况下 为了增大频率 调谐范围 可以适当增大腔体的高度 此外 对于大都使用在基站上的介质谐振腔体滤波器 其尺寸要求有着严格 的限制 因此根据滤波器设计要求的总体尺寸来规划每个单腔的最大尺寸 既可 以保证腔体q 值的最大 同时腔体谐振模式对介质谐振器工作模式的影响可以忽 略 本例中 由于对整个滤波器的 尺寸有严格的要求 最后单个腔体 的尺寸设计为3 4 3 4 2 6 r a m 3 对于腔体的材料 一般采用腔 体表面镀银或者镀铜的工艺 金属 银导电率为6 1 1 0 7 s m 高于铜 的导电率5 7 1 0 7 s m 此外 铜 在空气中容易氧化 这里选择腔体 镀银 2 介质谐振器的尺寸 利用文献 2 1 的开波导法由卡杰 图3 2 设计好的单腔结构 费斯给出的近似公式来计算 在计算中 可以引入2 7 节研究模式分离得出的结论 介质谐振器的直径与高的比值为2 5 l 来简化计算 给定谐振频率 腔体的高度 设定的介质谐振器的介电常数 还有介质支撑 的介电常数 和高 可以计算出介质谐振器的高和直径 具体程序见附录 幽程序计算出来的介电常数为2 9 的介质谐振器尺寸为 直径1 7 r a m 高6 8 r a m 其余部分 介电常数为4 5 的介质支撑高7 m m 在腔体内加入介电常数为4 5 的调 第三章t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 2 l 谐元件后 经过h f s s 软件优化后得到如图3 2 所示结果 调谐元件的直径是2 0 m m 厚2 m m 由于实际中介质螺钉较难加工 因此调谐结构采用的是第三章介绍调谐 结构中的调谐杆为金属 调谐盘为介质 需要注意的是 如2 4 节分析 该调谐会引起低次模 因此 一个合适的调谐 结果既有低次模 又有高次模 而且有足够的抑止带宽 这里优化的结果是 t e 0 1 模频率为3 4 8 9 8 g h z 低次模 t m 0 1 模 为2 5 3 5 5 g h z 第一高次模为4 4 2 4 8 g h z t e 0 1 模介质谐振腔体滤波器的设计 3 3 耦合的设计 腔体滤波器中的耦合包括两个腔之间相邻耦合与交叉耦合 以及端口耦合 3 3 1 相邻耦合的设计 两个相邻介质谐振器腔 体的耦合如图3 3 所示 由工 作在t e 叭模介质谐振器的场 特性及图2 3 可以知道 电场 主要集中在介质谐振器的内 部 呈水平方向 磁场则位于 垂直平面内 由耦合窗口的形 状可以知道 耦合主要由磁场 图3 3 两个相邻介质谐振器腔体的耦合 来完成 窗口越大 耦合越大 但是对于窗口的宽度 刚好是寄生模t m o i 模的 磁场方向 因此窗口越宽 对于t m 0 1 模的抑止不利 垂直于磁场方向有 个调 谐耦合的螺钉 该调谐螺钉能最大限度切割磁场 从而有效改变耦合 图3 4 显示了两个相邻腔 之间的磁场耦合图 左边是它 的侧视图 右边是它的俯视 图 图中可以看到 在经过耦 合窗口的时候 磁场的切向分 图3 4 相邻腔之间的磁耦合 量变化有不连续性 这是因为 在主模的传输过程中 其磁场变化了方向 但是对于耦合窗口附近的很多高次模 而言 总的磁场切向方向在变化时是连续的 对介质谐振腔体 在相邻腔之间 工作模式的磁场方向决定了非相邻耦合的正负 图3 5 所示的双腔耦合系数的实现 一 a 图35 两个耦合的相同介质谐振腔等效电路 一般采用