基于介质谐振器的滤波器研究

摘要：本文利用对比法和仿真法介绍了一种采用简单圆柱谐振器的四模介质谐振器滤波器，以实现不同的、高效的滤波功能。在四模谐振器的基础上，设计、仿真并制作了四极单腔滤波器。此外，还介绍了一种新型双模介质谐振器滤波器，该滤波器采用沿其轴线切成两半的同一圆柱谐振器。与传统的介质谐振器滤波器相比，本文提出的介质谐振器滤波器明显改良尺寸和提升质量，在无线和卫星应用方面有广泛的前景。

关键词：介质谐振器;滤波器;四模

中图分类号：TN713  文献标识码：A  文章编号：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：介质谐振器滤波器主要应用在卫星和基站技术中，它通常用作单模、双模、三模和四模谐振器，使用双模或更高阶运行模式的动机主要基于尺寸缩减效益，这是卫星系统等应用考虑的一个重要因素。文献中报道的四模介质谐振器出现了极限，这主要是由于自然现象引起的。尽管介质谐振器可以有多种形式和形状，但并非所有形式都易于制造。这主要是由于烧成陶瓷时需要高温和高压，介质谐振器最流行和最广泛使用的形状是圆柱形。

1  半切双模介质谐振器滤波器

本文首次提出了单腔圆柱功能型四模介质谐振器滤波器，它所采用的结构仍然是简单的圆柱介质谐振器，在商业上有着不同的材料规格，研究结果表明了该结构的有效性。另外本文简化了四模运算的概念，设计了一种新的双模谐振器，称之为“半切介质谐振器”，与传统双模介质谐振器滤波器相比，它具有更小的尺寸和质量，其设计思想是使用一半的四模圆柱形介质谐振器。这种“半切”谐振器是一种双模谐振器，每对HEH11和HEE11模中有一半是单个元件。

2  四模介质谐振器

圆柱介质谐振器在不同频率下具有不同的模式分布。介质谐振器的一些低阶模是TEH、HEE11和TME11模。典型介质谐振器的模式图列出了不同直径与结构高度之比下模式的共振频率的变化，得到了放置在立方腔中的介质谐振器的结果尺寸为1英寸。我们观察到一个非常独特的现象，比率略高于2。在这个比例下，HEH11和HEE11的模对在共振频率上是一致的。本文研究的思路是将谐振器的尺寸调整到这个比例，这样四个共振模式（两对）就可以在同一频率下实现。

两个模对的E场分布位置不一致，这是因为它们是结构的本征模。HEH11模的E场主要集中在谐振腔中部，而HEE11模的E场主要集中在谐振器的顶部和底部。因此，这四种模式可以在同一频率下共存，并且理论上可以独立控制。该谐振器可以用作“四模”介質谐振器滤波器的构建块，从而使得尺寸减小。通常根据所需的中心频率和介质材料，从模型中可以找到四模谐振器的合适尺寸，然后利用全波解算器对尺寸进行细化和优化，以得到精确的四模工作点[2]。

3  四模介质谐振器滤波器

这里介绍的滤波器是具有四个电谐振器的单腔滤波器，产生一个四极滤波器。实际上，高阶滤波器，例如8或4极滤波器可以使用此构造块构造。这些谐振器也可以与其他类型的谐振器组合。

直径D和高度L的圆柱谐振器放置在直径DC和高度LC的圆柱腔中。探头放置在远离空腔中心且彼此相距90°的位置，从空腔的顶部或底部延伸。90°分离是激发正交模的关键。探针的长度也决定了输入/输出耦合的数量，其中放置了几个调谐和耦合螺钉。螺丝钉每一个探头的对面都是与探头对准的HEH11和HEE11两个部件的调谐和耦合组合。位于45°的螺钉用于模式对的两个正交分量之间的耦合。垂直螺钉远离空腔中心，从顶部或底部穿入空腔。水平螺钉从圆柱体的侧面延伸，与顶部和底部壁的距离正好相等。

4  四模介质谐振器滤波器测量结果

利用已有的图示进行结构设计、模拟和制作了第二个四极滤波器，其dB、中心频率为3.666ghz、百分比带宽为1%。该结构与前面的例子类似，只是增加了一个半径和高度相同的低介电常数的支撑，现将谐振器保持在腔中心，保持输出探头的极性相反。观测到480mhz的无杂散窗口，单腔四极滤波器结构在通带上的插入损耗在0.4db到0.6db之间变化。由于I/O探头放置在同一个腔体中，两者在源和负载之间都有直接耦合。根据最小路径规则，由于源负载耦合的存在，这些单腔四极滤波器在复平面上最多可支持4个传输零点。

这种源负载耦合还会导致滤波器的越界抑制恶化，即带外斜率降低，从而降低选择性。这个问题实际上在高阶滤波器中得到了缓解，例如双腔八极滤波器，因为输入和输出都在单独的四模腔中。另一个选择是设计一个六极滤波器，其中一个单腔四模谐振器，两个单模腔用于I/O耦合。导致滤波器越界抑制恶化的另一个原因是在通带的较低（TEH）和较高（TME）频率中均存在杂散模式。这些模式可以抵消其他杂散耦合，或在滤波器的越界抑制中创建不可预测的传输零点。混合模式滤波器是一个有效的解决方案，既可以拓宽滤波器的无杂散窗口，又可以最小化杂散模式对越界抑制的影响[4]。

5  结论

本文介绍了一个使用圆柱形结构的四模介质谐振器，还提出了由四模谐振器导出的半切双模介质谐振器滤波器。与现有的介质谐振器滤波技术相比，这些结构明显对尺寸和质量的要求有改良效果。它们的实用性强，将会成为高滤波器应用的有力竞争者。

参考文献：

[1]雷泽林，郭勤武，刘哲伟，江娟，章天金.介质谐振器与金属谐振器混合带通滤波器设计[J].湖北大学学报（自然科学版），2018，40（04）：374-379.

[2]李姜. 基于双模介质谐振器的平衡/巴伦滤波电路的研究[D].南通大学，2018.

[3]王鹏博. 基于混合谐振法的腔体滤波器研究与实现[D].广州大学，2018.

[4]]张宏伟，程大军.基于介质环谐振器的集成多频段滤波器的设计[J].现代电子技术，2020，43（01）：24-27.

作者简介：高婷（1999.1—），女，汉族，云南玉溪人，本科在读，研究方向：信号处理及仿真。