双模滤波器分析报告

介质双模滤波器总结汇报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，使用的谐振器重要是同轴谐振器（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；介质谐振器不一样模式的谐振频率与介质的构造有关，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靠近，有两个谐振频率靠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）；有三个谐振频率靠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，相似谐振频率的介质谐振器体积小，Q值高。其模式分布复杂，杂模多并且距离通带模式（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汇报。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波长理想电长度传播线。在端口/接地与主电路之间的两段理想电长度传播线，分别模拟一种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）和一种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，一种电容、电感、电阻，形成一种串联谐振电路，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，每个理想电长度传播线模拟谐振器之间的耦合（邻腔耦合和交叉耦合），传播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整；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。微波谐振器的种类诸多，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，其他高次模的谐振频率远高于主模，在通带远端形成谐波。如下为一种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，在滤波器上串联一种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，加上合适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，处在谐振频率的电磁场在谐振器内形成驻波，能量不受损；其他频率上的电磁场则由于入射波与反射波的叠加相消而逐渐衰减。3.2介质谐振器：由介质中入射到介质壁的电磁波，一部分被界面反射回到介质内，一部分从界面折射到介质外。入射角与折射角关系为：。可见当介电常数足够大时，折射角为90由介质中入射到介质壁的电磁波，一部分被界面反射回到介质内，一部分从界面折射到介质外。入射角与折射角关系为：。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同样，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值重要和介质有关。缺陷是：成本高；由于电磁场重要集中于介质内，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靠近，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种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，与之对应的不一样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，其他为谐振器的高次模。由于主模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表达在X轴方向上电磁场的半波数；m表达在Y轴方向上的电磁场半波数；d表达在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）第一种模式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，它们的谐振频率靠近，电磁场互相正交。它们的电磁场独立，互不干扰。若在其间加入一种扰动，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）。这样就也许在一种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。与介质单模滤波器相比，介质双模滤波器的缺陷是：杂模离通带模式很近；由于一种谐振器用到两个模式，其滤波器的馈电及互相耦合关系不轻易控制，很轻易导致难以调整的传播零点。

4.3两个HE11d模之间耦合的实现在模式二和模式三之间加入扰动（加入耦合螺钉），则本来正交的模式二与模式三之间出现耦合。加入耦合螺钉后，HE11d模的电场分布：图4-6（a）图4-6（b）图4-6（c）图4-6（d）*由于电场总是垂直于金属面，加入耦合螺钉后，本来的电场在螺钉附近发生弯曲且垂直于螺钉表面，从而两个模式的电场方向在耦合螺钉附近变得一致（垂直于螺钉表面）。因此加入螺钉后，可由第一种HE11d模鼓励第二个HE11d模。

4.4双模滤波器的馈电和耦合关系一种4节的双模滤波器如图4-7所示。其中馈电方式采用平行于电力线的金属杆。两个介质之间直接耦合。把两个介质谐振器的第一、第二个HE11d模分别称为，模式一、模式二；模式三、模式四。其中，模式一和模式二，模式三和模式四，模式一和模式四分别正交，模式一和模式三相似，模式二和模式四相似。一种4节的双模滤波器如图4-7所示。其中馈电方式采用平行于电力线的金属杆。两个介质之间直接耦合。把两个介质谐振器的第一、第二个HE11d模分别称为，模式一、模式二；模式三、模式四。其中，模式一和模式二，模式三和模式四，模式一和模式四分别正交，模式一和模式三相似，模式二和模式四相似。加入45度耦合螺钉后，模式一和模式二，模式三和模式四分别发生耦合，滤波器的耦合关系如图4-9图4-74节双模介质滤波器示意图图4-8（a）模式一和模式三图4-8（b）模式二和模式四图4-9双模滤波器馈电和耦合关系*阐明：（1）输入/输出端口与两种模式的电场分量平行，与两种模式都发生耦合；（2）加入45度耦合螺钉后，正交的模式一和模式二，模式三和模式四耦合；（3）模式二和模式四相似，自身存在耦合；（4）模式一和模式三相似，自身存在耦合。在这种构造的滤波器中，端口与两个模式都属于电耦合，模式一和模式三之间属于电耦合。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模导致，通带高频端的近来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。该构造中，45度螺杆用于调整一种谐振器内的两个模式之间的耦合，其他两个螺杆分别用于微调两个谐振模式的谐振频率。在介质之间有一种平行的金属杆，用于加强介质之间的耦合，调整此耦合杆的尺寸或者窗口大小，可以变化滤波器带宽。加平行耦合杆前后的滤波器响应对例如图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认为：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)探针鼓励：图5-4（a）探针耦合响应图5-4（b）探针构造2）磁环鼓励：图5-5（a）磁环鼓励响应图5-5（b）磁环构造3）接地鼓励：

5.3传播零点的控制根据4.4的分析，该双模滤波器自身存在一种对称飞和两个感飞，感飞强度与馈电强度有关，在该构造中无法控制；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种垂直于介质的螺钉，就可以对传播零点进行调整。传播零点调整螺钉图5-6（a）垂直加调整螺钉的构造图5-6（b）零点调整前后的响应传播零点调整螺钉图5-6（c）侧面加调整螺钉的构造图5-6（d）零点调整前后的响应*加入传播零点调整螺钉后，通带低频端和高频端的传播零点向通带靠近。在垂直于介质的面上加螺钉和在侧面加螺钉，对传播零点的调整效果相似。

参照文献：[1]Xiao-PengLinag“ModelingofCylindri