介質(zhì)雙模濾波器總結(jié)匯報(bào)簡(jiǎn)介帶通濾波器是由微波諧振器構(gòu)成的微波器件。目前通信基站用的濾波器，使用的諧振器重要是同軸諧振器（TEM模），也有許多采用介質(zhì)諧振器。介質(zhì)諧振器有無數(shù)種諧振模式[1]，因其主模TE01d模的Q0高，受到雜模影響小，在單模介質(zhì)濾波器中用作構(gòu)成濾波器通帶；介質(zhì)諧振器不一樣模式的諧振頻率與介質(zhì)的構(gòu)造有關(guān)，合理設(shè)計(jì)介質(zhì)尺寸，則介質(zhì)諧振器會(huì)有兩個(gè)或三個(gè)模式的諧振頻率靠近，有兩個(gè)諧振頻率靠近模式的介質(zhì)諧振器，可以用作雙模濾波器（本項(xiàng)目中用到HE11d模）；有三個(gè)諧振頻率靠近模式的介質(zhì)諧振器，可用作三模濾波器。相比于同軸諧振器，相似諧振頻率的介質(zhì)諧振器體積小，Q值高。其模式分布復(fù)雜，雜模多并且距離通帶模式（TE01d模）近。而雙模介質(zhì)諧振器比介質(zhì)諧振器體積更小，雜模對(duì)濾波器響應(yīng)的影響更大，較多用于窄帶濾波。介質(zhì)單模濾波器的分析參見白云鵬，賈雄杰的單模介質(zhì)濾波器分析匯報(bào)。名詞解釋：諧振波模式：電磁場(chǎng)在微波諧振器中的分布方式主模：微波諧振器中，諧振頻率最低的波模式高次模：除主模外的波模式，按照諧振頻率的由低至高分別稱為第一高次模，第二高次模，第三高次模……通帶模式：用于構(gòu)成濾波器通帶的波模式雜模：不用于構(gòu)成濾波器通帶的波模式

2常規(guī)帶通濾波器分析2.1帶通濾波器的電路原理分析：圖2-1.帶通濾波器電路原理圖帶通濾波器電路原理圖如圖2-1[2]。在Designer的電路中應(yīng)用到的模擬元件有：端口，接地，電容，電感，電阻，1/4波長理想電長度傳播線。在端口/接地與主電路之間的兩段理想電長度傳播線，分別模擬一種去歸一化阻抗變換線（其作用為主電路去歸一化，使其與50ohm端口匹配）和一種端口匹配阻抗變換線（實(shí)現(xiàn)該濾波器需要的有載Q值）。主電路中，一種電容、電感、電阻，形成一種串聯(lián)諧振電路，模擬濾波器中的諧振單元，其中電阻用于模擬諧振單元的損耗。主電路中，每個(gè)理想電長度傳播線模擬諧振器之間的耦合（鄰腔耦合和交叉耦合），傳播線阻值為諧振器之間的耦合系數(shù)。以上為集總元件電路分析。在微波實(shí)現(xiàn)時(shí)，沒有去歸一化阻抗變換線，端口匹配阻抗變換線用饋電強(qiáng)度調(diào)整；諧振電路用微波諧振器實(shí)現(xiàn)，鄰腔耦合用窗口實(shí)現(xiàn)，交叉耦合用窗口或者飛桿實(shí)現(xiàn)。微波諧振器的種類諸多，常用到的有同軸諧振器，波導(dǎo)諧振器，微帶線諧振器，帶狀線諧振器，介質(zhì)諧振器等。2.2同軸諧振器中的電磁場(chǎng)分布圖2-2（a）電場(chǎng)分布圖2-2（b）磁場(chǎng)分布圖2-2（c）耦合電場(chǎng)分布圖2-2（d）耦合磁場(chǎng)分布同軸諧振腔的主模是TEM模，是該類濾波器的通帶模式，其他高次模的諧振頻率遠(yuǎn)高于主模，在通帶遠(yuǎn)端形成諧波。如下為一種原形同軸諧振器的例子：腔體直徑32mm腔體高度30mm諧振桿直徑9mm諧振桿高度26mm螺桿直徑3mm螺桿長度8mm其主模頻率為1775MHZ，第一高次模頻率5460MHZ。高次模頻率距離主模頻率遠(yuǎn)，在濾波器上串聯(lián)一種低通濾波器就可以濾除。該類濾波器的腔之間通過窗口耦合，用耦合螺釘微調(diào)耦合強(qiáng)度。主模之間耦合形成通帶，高次模之間的耦合形成諧波。腔之間的耦合電/磁場(chǎng)分布如圖2-2（c）、圖2-2（d）。這樣的諧振單元和耦合關(guān)系，加上合適的饋電端口就構(gòu)成了同軸諧振腔帶通濾波器。

3介質(zhì)諧振器與同軸腔諧振器的比較3.1同軸諧振器：理想導(dǎo)體壁稱為電壁。電壁上，電場(chǎng)切向分量為零，磁場(chǎng)法向分量為零，入射到電壁的電磁場(chǎng)將被完全反射，沒有透射波穿過電壁。因此在由電壁構(gòu)成的諧振器中，電磁場(chǎng)被束縛于諧振器里，處在諧振頻率的電磁場(chǎng)在諧振器內(nèi)形成駐波，能量不受損；其他頻率上的電磁場(chǎng)則由于入射波與反射波的疊加相消而逐漸衰減。3.2介質(zhì)諧振器：由介質(zhì)中入射到介質(zhì)壁的電磁波，一部分被界面反射回到介質(zhì)內(nèi)，一部分從界面折射到介質(zhì)外。入射角與折射角關(guān)系為：。可見當(dāng)介電常數(shù)足夠大時(shí)，折射角為90由介質(zhì)中入射到介質(zhì)壁的電磁波，一部分被界面反射回到介質(zhì)內(nèi)，一部分從界面折射到介質(zhì)外。入射角與折射角關(guān)系為：。可見當(dāng)介電常數(shù)足夠大時(shí)，折射角為90度，此時(shí)入射波的折射波將不會(huì)透射到介質(zhì)外面。介電常數(shù)越大，可被介質(zhì)全反射的入射波的入射角越大，即被存儲(chǔ)于介質(zhì)中的電磁場(chǎng)能量越多，介質(zhì)的無載Q值越大。在介質(zhì)中，磁場(chǎng)的切向分量為零，電場(chǎng)的法向分量為零。與電壁相對(duì)應(yīng)，理想的介質(zhì)反射面稱為磁壁。圖3電磁波在介質(zhì)界面上的反射與折射和同軸諧振器同樣，介質(zhì)也可以存儲(chǔ)電磁波，用于制作諧振器。其主模為TE01d模。與同軸諧振器相比，其特點(diǎn)為：體積小，Q值高，諧振頻率和Q值重要和介質(zhì)有關(guān)。缺陷是：成本高；由于電磁場(chǎng)重要集中于介質(zhì)內(nèi)，諧振器之間的耦合弱，不適合做寬帶濾波器；用作濾波器時(shí)，其第一高次模與主模諧振頻率靠近，因而諧波距離通帶近。作為諧振器時(shí)，介質(zhì)諧振器要遠(yuǎn)離金屬（屏蔽腔和螺釘）以保證高Q值。因此諧振器不能直接安放在金屬屏蔽腔上。常常把高介電常數(shù)的諧振器粘合在一種低介電常數(shù)的支撐柱上，再把支撐柱固定在屏蔽腔上。由于電磁波在高/低介質(zhì)界面之間的折射，低介電常數(shù)支撐柱對(duì)諧振器的影響很小。例如：介質(zhì)諧振器：直徑36mm，厚度9mm，中間孔直徑6mm，相對(duì)介電常數(shù)45；支撐柱：直徑23mm，厚度9mm，中間孔直徑17mm，相對(duì)介電常數(shù)9；腔體：長50mm，寬50mm，高30mm。則其主模諧振頻率1.6643GHZ；第一高次模諧振頻率2.1029GHZ，第二高次模諧振頻率2.1031GHZ，第三高次模諧振頻率2.407GHZ。可見，與同軸諧振器相比，其高次模諧振頻率離主模較近。

4雙模濾波器4.1微波諧振器的模式（諧振電磁場(chǎng)的分布方式）每個(gè)微波諧振器有無數(shù)種諧振模式，與之對(duì)應(yīng)的不一樣頻率電磁波能量以各自的模式儲(chǔ)存于諧振器中。諧振頻率最低的模式為諧振器的主模，其他為諧振器的高次模。由于主模Q值高，雜模遠(yuǎn)的特點(diǎn)，濾波器常常使用諧振器的主模做為通帶：同軸諧振器主模TEM模，介質(zhì)諧振器主模TE01d模，圓形波導(dǎo)諧振器主模TE11d模，矩形波導(dǎo)諧振器主模因長/寬尺寸而異。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的Z向分量為零的波模式，稱為TEM模；電場(chǎng)Z向分量為零的波模式TEnmd模；磁場(chǎng)Z向分量為零的波模式稱TMnmd模；電磁場(chǎng)Z向分量都不為零的波模式稱HEnmd模。n表達(dá)在X軸方向上電磁場(chǎng)的半波數(shù)；m表達(dá)在Y軸方向上的電磁場(chǎng)半波數(shù)；d表達(dá)在Z軸方向的半波數(shù)。4.2介質(zhì)諧振器的電磁場(chǎng)分布借助電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS，可以得到某一尺寸介質(zhì)諧振器的各個(gè)模式的場(chǎng)分布圖，以上面提到的介質(zhì)諧振器為例：介質(zhì)諧振器：直徑36mm，厚度9mm，中間孔直徑6mm，相對(duì)介電常數(shù)45；支撐柱：直徑23mm，厚度9mm，中間孔直徑17mm，相對(duì)介電常數(shù)9；腔體：長50mm，寬50mm，高30mm。（1）第一種模式TE01d模的電場(chǎng)分布（諧振頻率1.6643GHZ）圖4-1（a）圖4-1（b）（2）第二個(gè)模式HE11d模的電場(chǎng)分布（諧振頻率2.1029GHZ）圖4-2（a）圖4-2（b）（3）第三個(gè)模式HE11d模的電場(chǎng)分布（諧振頻率2.1031GHZ）圖4-3（a）圖4-3（b）（4）第四個(gè)模式TM01d模的磁場(chǎng)分布（諧振頻率2.407GHZ）圖4-4（a）圖4-4（b）（5）第五個(gè)模式HE12d模的電場(chǎng)分布（諧振頻率2.4198GHZ）圖4-5（a）圖4-5（b）*其中第二、三個(gè)模式都是HE11d模，它們的諧振頻率靠近，電磁場(chǎng)互相正交。它們的電磁場(chǎng)獨(dú)立，互不干擾。若在其間加入一種擾動(dòng)，破壞正常的電磁場(chǎng)分布，則兩種模式發(fā)生耦合（電磁能量的轉(zhuǎn)換和傳遞）。這樣就也許在一種介質(zhì)諧振器內(nèi)實(shí)現(xiàn)模擬電路中的兩個(gè)諧振器，這樣的介質(zhì)諧振器可用于制作雙模濾波器。與介質(zhì)單模濾波器相比，介質(zhì)雙模濾波器的缺陷是：雜模離通帶模式很近；由于一種諧振器用到兩個(gè)模式，其濾波器的饋電及互相耦合關(guān)系不輕易控制，很輕易導(dǎo)致難以調(diào)整的傳播零點(diǎn)。

4.3兩個(gè)HE11d模之間耦合的實(shí)現(xiàn)在模式二和模式三之間加入擾動(dòng)（加入耦合螺釘），則本來正交的模式二與模式三之間出現(xiàn)耦合。加入耦合螺釘后，HE11d模的電場(chǎng)分布：圖4-6（a）圖4-6（b）圖4-6（c）圖4-6（d）*由于電場(chǎng)總是垂直于金屬面，加入耦合螺釘后，本來的電場(chǎng)在螺釘附近發(fā)生彎曲且垂直于螺釘表面，從而兩個(gè)模式的電場(chǎng)方向在耦合螺釘附近變得一致（垂直于螺釘表面）。因此加入螺釘后，可由第一種HE11d模鼓勵(lì)第二個(gè)HE11d模。

4.4雙模濾波器的饋電和耦合關(guān)系一種4節(jié)的雙模濾波器如圖4-7所示。其中饋電方式采用平行于電力線的金屬桿。兩個(gè)介質(zhì)之間直接耦合。把兩個(gè)介質(zhì)諧振器的第一、第二個(gè)HE11d模分別稱為，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，模式一和模式四分別正交，模式一和模式三相似，模式二和模式四相似。一種4節(jié)的雙模濾波器如圖4-7所示。其中饋電方式采用平行于電力線的金屬桿。兩個(gè)介質(zhì)之間直接耦合。把兩個(gè)介質(zhì)諧振器的第一、第二個(gè)HE11d模分別稱為，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，模式一和模式四分別正交，模式一和模式三相似，模式二和模式四相似。加入45度耦合螺釘后，模式一和模式二，模式三和模式四分別發(fā)生耦合，濾波器的耦合關(guān)系如圖4-9圖4-74節(jié)雙模介質(zhì)濾波器示意圖圖4-8（a）模式一和模式三圖4-8（b）模式二和模式四圖4-9雙模濾波器饋電和耦合關(guān)系*闡明：（1）輸入/輸出端口與兩種模式的電場(chǎng)分量平行，與兩種模式都發(fā)生耦合；（2）加入45度耦合螺釘后，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。在這種構(gòu)造的濾波器中，端口與兩個(gè)模式都屬于電耦合，模式一和模式三之間屬于電耦合。雙模濾波器測(cè)試結(jié)論分析5.1諧波及通帶帶寬平行耦合桿調(diào)諧螺桿45度耦合螺桿平行耦合桿調(diào)諧螺桿45度耦合螺桿圖5-1（a）實(shí)物照片圖5-1（b）濾波器模型圖5-2（a）測(cè)試響應(yīng)圖5-2（b）仿真響應(yīng)*在通帶的低頻端諧波，是由諧振器的主摸TE01d模導(dǎo)致，通帶高頻端的近來兩個(gè)諧波分別是諧振器的TM01d模和HE12d模。可見雙模濾波器的諧波距離通帶很近。該構(gòu)造中，45度螺桿用于調(diào)整一種諧振器內(nèi)的兩個(gè)模式之間的耦合，其他兩個(gè)螺桿分別用于微調(diào)兩個(gè)諧振模式的諧振頻率。在介質(zhì)之間有一種平行的金屬桿，用于加強(qiáng)介質(zhì)之間的耦合，調(diào)整此耦合桿的尺寸或者窗口大小，可以變化濾波器帶寬。加平行耦合桿前后的濾波器響應(yīng)對(duì)例如圖5-3所示：圖5-3（a）有耦合桿（28M）圖5-3（b）無耦合桿（8M）

5.2濾波器饋電方式濾波器的饋電方式可認(rèn)為：平行于電場(chǎng)的探針；垂直于磁場(chǎng)的磁環(huán)；由端口引出的接地線。1)探針鼓勵(lì)：圖5-4（a）探針耦合響應(yīng)圖5-4（b）探針構(gòu)造2）磁環(huán)鼓勵(lì)：圖5-5（a）磁環(huán)鼓勵(lì)響應(yīng)圖5-5（b）磁環(huán)構(gòu)造3）接地鼓勵(lì)：

5.3傳播零點(diǎn)的控制根據(jù)4.4的分析，該雙模濾波器自身存在一種對(duì)稱飛和兩個(gè)感飛，感飛強(qiáng)度與饋電強(qiáng)度有關(guān)，在該構(gòu)造中無法控制；對(duì)稱飛存在于模式一和模式三之間，只要在兩個(gè)介質(zhì)之間加入一種垂直于介質(zhì)的螺釘，就可以對(duì)傳播零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。傳播零點(diǎn)調(diào)整螺釘圖5-6（a）垂直加調(diào)整螺釘?shù)臉?gòu)造圖5-6（b）零點(diǎn)調(diào)整前后的響應(yīng)傳播零點(diǎn)調(diào)整螺釘圖5-6（c）側(cè)面加調(diào)整螺釘?shù)臉?gòu)造圖5-6（d）零點(diǎn)調(diào)整前后的響應(yīng)*加入傳播零點(diǎn)調(diào)整螺釘后，通帶低頻端和高頻端的傳播零點(diǎn)向通帶靠近。在垂直于介質(zhì)的面上加螺釘和在側(cè)面加螺釘，對(duì)傳播零點(diǎn)的調(diào)整效果相似。

參照文獻(xiàn)：[1]Xiao-PengLinag“ModelingofCylindri