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一种金属谐振器与介质谐振器组合应用设计高性能滤波器的方法
作者：孙尚传
来源：《中国新通信》2013年第01期
【摘要】本文主要研究金属谐振器与介质谐振器组合应用设计高性能滤波器的方法，首先通过对传统的由金属谐振器组成的滤波器及由介质谐振器组成的滤波器进行对比分析，提出了新的成本更优廉的滤波器实现方式，同时利用三维电磁场仿真软件HFSS对谐振腔进行电磁场分析，最终给出一种结构简洁、易于实现、成本更低廉的新的滤波器设计方法。 【关键词】滤波器电磁场分析低成本
A design method of high performance filter--composite application of metal resonator and dielectric resonator
The article introduces a innovative design method of high-performance filter， which is
composite application of metal resonator and dielectric resonator.A new filter realization method with lower cost， has been put forward based on analysis and comparison between filters composed of metal resonators and dielectric resonators. Meanwhile through electromagnetic field analysis of the resonator cavity， a innovative ，feasible design method with simple mechanical structure and low cost is formulated at last.
Keyword： Filter EM analysis low cost 一、引言
微波滤波器被广泛的应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星接力、导弹制导、测试仪表等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的器件。其中由金属谐振器组合而成的金属腔体滤波器及由介质谐振器组合而成的介质腔体滤波器更得到广泛的应用，但它们具有各自优势的同时又存在缺点，其中金属谐振器因材料价格相对低廉、金属件加工简单、常规的生产工艺基本满足滤波器的生产要求，但是金属谐振器因品质因素相对较低，故对一些要求超低传输损耗的滤波器而言又难以应用；陶瓷谐振器因品质因素高，故可以实现一些要求超低传输损耗的滤波器，但陶瓷介质谐振器因材料的特殊性，及生产工艺的限制，导致陶瓷介质谐振器价格普遍偏高，导致难以大范围使用；故，在满足通信指标要求的前提下，如何降低滤波器的生产成本？是所有研发单位必须考虑的一个课题，以此为出发点，本文提出了一种指标优越、生产工艺及材料成本较低廉的新的滤波器的设计方法。 二、技术背景概况
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从电信发展的早期，滤波器在电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展。1910年，一种新颖的多路通信系统即载波电话系统的出现，使得电信领域引发了一场彻底的技术革命，迎来了电信行业的新纪元。新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。 所谓滤波器，广义的定义即在传输的信号中，提取出有用的信号，抑制无用的干扰信号，使通信设备保持正常的工作，在通信系统中满足这种要求的器件即为滤波器。金属材料因易于获取、易于加工成型、价格低廉等先天优势，由金属材料制成的金属谐振器最早被使用在微波滤波器的设计应用中，并随着微波通信的发展获得广泛的应用，滤波器的性能主要体现在自身附带损耗及对无用或者干扰信号的抑制度，并且由谐振器自身的品质因素决定，又把品质因素称为Q值，即Q值决定滤波器自身的损耗及对干扰信号的抑制度，现以滤波器为例验证不同Q值对通带插入损耗的影响，滤波器指标如下所述：
滤波器技术指标：（1）中心频率：2335MHz；（2）通带频率：2300～2370MHz；（3）通带回波损耗：≥20dB；（4）带外抑制要求：2250MHz～2294MHz≤-48dB；2376MHz～2450MHz≤-48dB。
根据上述指标要求，我们选择10阶切比雪夫滤波器，滤波器高端及低端分别加载两个输零点，传输零点的实现采用CQ（四阶级联）添加对角耦合的形式，这种结构形式的理论实现依据在Cameron与General的相关论文[1]及[2]中有详细的描述，具体的CQ级联结构如图1所示，当我们确定谐振器之间的耦合相位时，可以在不相邻的两个谐振器之间添加不同相位的耦合结构，这样可以在通带外实现传输零点，即我们所说的高抑制点，如图1所示四阶滤波器中，在第1与第4个谐振器及第2与第4个谐振器之间添加不同相位的耦合结构可在通带高低端分别实现两个传输零点，这种结构的好处就是可尽量少使用谐振器就可实现带外的高抑制要求，便于降低结构件的成本，这种CQ（四阶级联）添加对角耦合的形式在上述10阶切比雪夫滤波器中应用恰到好处，可轻易实现通带两边对称高抑制的要求。
由上图3与4可知，当Q值为15000时，滤波器两边频点处对应的损耗远远小于Q值为4500的响应数据，当Q值为15000时，滤波器两边抑制度大于Q值为4500的响应数据，且若插入损耗一定时，因高Q值损耗小，可以在设计上使用更多的谐振器，而不对滤波器的通带损耗造成大的影响，从而增加滤波器对干扰信号的抑制度，通过上述对比可知，谐振器的Q值越高附带损耗越小、抑制度相对也越优越，Q值直接影响滤波器的性能，故如何增加滤波器的Q值是工程人员重点关注的核心问题。
现阶段随着信息产业和无线通信系统的蓬勃发展，微波频带出现了相对拥挤的状态，微波频带资源的划分更加精细，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，对滤波器的性能提出了更高的要求，这就要求滤波器具有更小的附带损耗、更高的抑制度、更小的体积。而金属谐振器的品质因素相对有限，即Q值相对较低，并且在谐振腔体积一定的条件下难于增加Q值，故直接影响着滤波器的附带损耗及带外抑制度，因金属谐振器Q值受限制，故为了改善这种缺点，科研人员逐渐采用各种具有优越的温度稳定性和高Q值的陶瓷材料来替代金属材料用
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于滤波器的设计中，随着陶瓷材料的发展，TE模陶瓷介质谐振器在滤波器设计中的应用更得到了迅速而广泛的发展。但陶瓷介质谐振器为了获取高的品质因素，往往需要在陶瓷材料上添加高价值的材料，比如价格高昂的稀土材料等，另外陶瓷材料涉及的烧结成型等相关工艺也相对复杂，导致陶瓷介质谐振器价格居高不下，难于在民用产品中大范围的深入的应用，为降低滤波器设计成本，本文提出一种陶瓷介质谐振器与金属谐振器混搭使用设计高性能滤波器方法，用于降低高性能滤波器生产成本问题。 3、新式滤波器的综合设计方法
如图5所示，金属谐振器由金属腔体（四周均为金属的密封腔体，腔体内部空隙填充空气介质）及金属谐振杆共同组合而成，当输入激励信号的频率等于或接近谐振器的本征谐振频率时，输入信号就通过，反之就不能通过信号，能通过的信号就是我们需选择使用的信号，不能通过的信号既是我们需要抑制的信号，谐振器主要的功能就是对通信信号进行筛选过滤，提取我们有用的信号抑制无用的干扰信号，通常滤波器由多个这种类型的谐振器共同组合而成形成对无用信号高强度的抑制。
由上图6、图7电磁场矢量分布曲线可知，金属谐振器电场主要集中分布在Z轴方向金属谐振杆顶部，并沿Z轴方向上下来回谐振，金属谐振器磁场矢量分布主要集中分布在金属杆侧面沿XY平面来回谐振。
（1）TE模：TE模是微波传输中一种可激励模，电场总是只有横向分量，即对于沿着Z方向传输的波，其电场分量为零，磁场各个方向上的分量可能都存在。
（2）TE模陶瓷介质谐振器：TE模陶瓷介质谐振器如下图8所示：由金属腔体、陶瓷介质块共同组合而成；TE模谐振器的电磁场分布如图9、图10所示，由电磁场矢量曲线可知，TE模谐振器中电场方向沿着XY平面方向来回谐振，磁场方向沿Z轴方向上下谐振，即对于沿着Z方向传输的波，其电场分量为零，这种组合结构及电磁场的矢量分布形式的谐振器我们称之为TE模陶瓷介质谐振器，并且按照模式的区分，定义为TE01δ模。
一般高性能微波滤波器由多个谐振器共同组合而成，每个谐振器之间通过电磁场的耦合来实现信号的传输，为了便于大批量生产，通常谐振器之间采用开窗口（两个谐振器紧靠一起，并且两个谐振器外金属腔间隙处添加一个窗口，使两个谐振器之间的电磁场能够通过这个窗口实现电磁能量的相互耦合传递）形式来使两个谐振器之间的电磁场能量相互耦合，同样为了便于满足结构件安装的特殊要求及大批量生产需要，谐振器之间的安装方式一般采用如下图11所示的两谐振器竖立模式安装，现在我们为了降低TE模陶瓷介质滤波器的生产成本，需引入成本更低廉的金属谐振器来代替部分陶瓷介质谐振器，但是因金属谐振器与TE模陶瓷介质谐振器之间电磁场矢量分布方向不同，两种谐振器电磁场矢量分布方向相反，导致金属谐振器与介质谐振器采用图11所示的安装方式时，即使在外金属腔之间打开一个窗口也难于实现两个谐振器之间电磁场的能量耦合，这主要是因为两个谐振器电磁场之间矢量方向相互垂直而无法耦合导致，使微波信号在谐振器之间无法相互传递，即使增大耦合窗口也无济于事，也就无法