基于介質諧振器的濾波器研究

摘要：本文利用對比法和仿真法介紹了一種采用簡單圓柱諧振器的四模介質諧振器濾波器，以實現不同的、高效的濾波功能。在四模諧振器的基礎上，設計、仿真并制作了四極單腔濾波器。此外，還介紹了一種新型雙模介質諧振器濾波器，該濾波器采用沿其軸線切成兩半的同一圓柱諧振器。與傳統的介質諧振器濾波器相比，本文提出的介質諧振器濾波器明顯改良尺寸和提升質量，在無線和衛星應用方面有廣泛的前景。

關鍵詞：介質諧振器;濾波器;四模

中圖分類號：TN713? 文獻標識碼：A? 文章編號：1672-9129（2020）02-0055-01

Abstract： In this paper， a four-mode dielectric resonator filter with a simple cylindrical resonator is introduced by contrast method and simulation method to achieve different and efficient filtering functions. Based on the four-mode resonator， a quadrupole single-cavity filter is designed， simulated and fabricated. In addition， a new type of two-mode dielectric resonator filter is introduced， which USES the same cylindrical resonator cut in half along its axis. Compared with the traditional dielectric resonator filter， the dielectric resonator filter presented in this paper has improved size and quality significantly， and has a broad prospect in wireless and satellite applications.

Key words： dielectric resonator; Filter; Four modules

引言：介質諧振器濾波器主要應用在衛星和基站技術中，它通常用作單模、雙模、三模和四模諧振器，使用雙模或更高階運行模式的動機主要基于尺寸縮減效益，這是衛星系統等應用考慮的一個重要因素。文獻中報道的四模介質諧振器出現了極限，這主要是由于自然現象引起的。盡管介質諧振器可以有多種形式和形狀，但并非所有形式都易于制造。這主要是由于燒成陶瓷時需要高溫和高壓，介質諧振器最流行和最廣泛使用的形狀是圓柱形。

1? 半切雙模介質諧振器濾波器

本文首次提出了單腔圓柱功能型四模介質諧振器濾波器，它所采用的結構仍然是簡單的圓柱介質諧振器，在商業上有著不同的材料規格，研究結果表明了該結構的有效性。另外本文簡化了四模運算的概念，設計了一種新的雙模諧振器，稱之為“半切介質諧振器”，與傳統雙模介質諧振器濾波器相比，它具有更小的尺寸和質量，其設計思想是使用一半的四模圓柱形介質諧振器。這種“半切”諧振器是一種雙模諧振器，每對HEH11和HEE11模中有一半是單個元件。

2? 四模介質諧振器

圓柱介質諧振器在不同頻率下具有不同的模式分布。介質諧振器的一些低階模是TEH、HEE11和TME11模。典型介質諧振器的模式圖列出了不同直徑與結構高度之比下模式的共振頻率的變化，得到了放置在立方腔中的介質諧振器的結果尺寸為1英寸。我們觀察到一個非常獨特的現象，比率略高于2。在這個比例下，HEH11和HEE11的模對在共振頻率上是一致的。本文研究的思路是將諧振器的尺寸調整到這個比例，這樣四個共振模式（兩對）就可以在同一頻率下實現。

兩個模對的E場分布位置不一致，這是因為它們是結構的本征模。HEH11模的E場主要集中在諧振腔中部，而HEE11模的E場主要集中在諧振器的頂部和底部。因此，這四種模式可以在同一頻率下共存，并且理論上可以獨立控制。該諧振器可以用作“四模”介質諧振器濾波器的構建塊，從而使得尺寸減小。通常根據所需的中心頻率和介質材料，從模型中可以找到四模諧振器的合適尺寸，然后利用全波解算器對尺寸進行細化和優化，以得到精確的四模工作點[2]。

3? 四模介質諧振器濾波器

這里介紹的濾波器是具有四個電諧振器的單腔濾波器，產生一個四極濾波器。實際上，高階濾波器，例如8或4極濾波器可以使用此構造塊構造。這些諧振器也可以與其他類型的諧振器組合。

直徑D和高度L的圓柱諧振器放置在直徑DC和高度LC的圓柱腔中。探頭放置在遠離空腔中心且彼此相距90°的位置，從空腔的頂部或底部延伸。90°分離是激發正交模的關鍵。探針的長度也決定了輸入/輸出耦合的數量，其中放置了幾個調諧和耦合螺釘。螺絲釘每一個探頭的對面都是與探頭對準的HEH11和HEE11兩個部件的調諧和耦合組合。位于45°的螺釘用于模式對的兩個正交分量之間的耦合。垂直螺釘遠離空腔中心，從頂部或底部穿入空腔。水平螺釘從圓柱體的側面延伸，與頂部和底部壁的距離正好相等。

4? 四模介質諧振器濾波器測量結果

利用已有的圖示進行結構設計、模擬和制作了第二個四極濾波器，其dB、中心頻率為3.666ghz、百分比帶寬為1%。該結構與前面的例子類似，只是增加了一個半徑和高度相同的低介電常數的支撐，現將諧振器保持在腔中心，保持輸出探頭的極性相反。觀測到480mhz的無雜散窗口，單腔四極濾波器結構在通帶上的插入損耗在0.4db到0.6db之間變化。由于I/O探頭放置在同一個腔體中，兩者在源和負載之間都有直接耦合。根據最小路徑規則，由于源負載耦合的存在，這些單腔四極濾波器在復平面上最多可支持4個傳輸零點。

這種源負載耦合還會導致濾波器的越界抑制惡化，即帶外斜率降低，從而降低選擇性。這個問題實際上在高階濾波器中得到了緩解，例如雙腔八極濾波器，因為輸入和輸出都在單獨的四模腔中。另一個選擇是設計一個六極濾波器，其中一個單腔四模諧振器，兩個單模腔用于I/O耦合。導致濾波器越界抑制惡化的另一個原因是在通帶的較低（TEH）和較高（TME）頻率中均存在雜散模式。這些模式可以抵消其他雜散耦合，或在濾波器的越界抑制中創建不可預測的傳輸零點。混合模式濾波器是一個有效的解決方案，既可以拓寬濾波器的無雜散窗口，又可以最小化雜散模式對越界抑制的影響[4]。

5? 結論

本文介紹了一個使用圓柱形結構的四模介質諧振器，還提出了由四模諧振器導出的半切雙模介質諧振器濾波器。與現有的介質諧振器濾波技術相比，這些結構明顯對尺寸和質量的要求有改良效果。它們的實用性強，將會成為高濾波器應用的有力競爭者。

參考文獻：

[1]雷澤林，郭勤武，劉哲偉，江娟，章天金.介質諧振器與金屬諧振器混合帶通濾波器設計[J].湖北大學學報（自然科學版），2018，40（04）：374-379.

[2]李姜. 基于雙模介質諧振器的平衡/巴倫濾波電路的研究[D].南通大學，2018.

[3]王鵬博. 基于混合諧振法的腔體濾波器研究與實現[D].廣州大學，2018.

[4]]張宏偉，程大軍.基于介質環諧振器的集成多頻段濾波器的設計[J].現代電子技術，2020，43（01）：24-27.

作者簡介：高婷（1999.1—），女，漢族，云南玉溪人，本科在讀，研究方向：信號處理及仿真。