双模滤波器分析报告.docx
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双模滤波器分析报告
介质双模滤波器总结报告
1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,使用的谐振器主要是同轴谐振器(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;介质谐振器不同模式的谐振频率与介质的结构有关,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接近,有两个谐振频率接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);有三个谐振频率接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,相同谐振频率的介质谐振器体积小,Q值高。
其模式分布复杂,杂模多而且距离通带模式(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报告。
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波长理想电长度传输线。
在端口/接地与主电路之间的两段理想电长度传输线,分别模拟一个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)和一个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,一个电容、电感、电阻,形成一个串联谐振电路,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,每个理想电长度传输线模拟谐振器之间的耦合(邻腔耦合和交叉耦合),传输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节;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。
微波谐振器的种类很多,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,其余高次模的谐振频率远高于主模,在通带远端形成谐波。
以下为一个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,在滤波器上串联一个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,加上适当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,处于谐振频率的电磁场在谐振器内形成驻波,能量不受损;其它频率上的电磁场则因为入射波与反射波的叠加相消而逐渐衰减。
3.2介质谐振器:
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
和同轴谐振器一样,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值主要和介质有关。
缺点是:
成本高;因为电磁场主要集中于介质内,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接近,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个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,与之对应的不同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,其余为谐振器的高次模。
因为主模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表示在X轴方向上电磁场的半波数;m表示在Y轴方向上的电磁场半波数;d表示在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)第一个模式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,它们的谐振频率接近,电磁场相互正交。
它们的电磁场独立,互不干扰。
若在其间加入一个扰动,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)。
这样就可能在一个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。
5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
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模造成,通带高频端的最近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。
该结构中,45度螺杆用于调节一个谐振器内的两个模式之间的耦合,其余两个螺杆分别用于微调两个谐振模式的谐振频率。
在介质之间有一个平行的金属杆,用于加强介质之间的耦合,调节此耦合杆的尺寸或者窗口大小,可以改变滤波器带宽。
加平行耦合杆前后的滤波器响应对比如图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以为:
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)探针激励:
图5-4(a)探针耦合响应图5-4(b)探针结构
2)磁环激励:
图5-5(a)磁环激励响应图5-5(b)磁环结构
3)接地激励:
5.3传输零点的控制
根据4.4的分析,该双模滤波器自身存在一个对称飞和两个感飞,感飞强度与馈电强度有关,在该结构中无法控制;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个垂直于介质的螺钉,就可以对传输零点进行调节。
传输零点调节螺钉
图5-6(a)垂直加调节螺钉的结构图5-6(b)零点调节前后的响应
图5-6(c)侧面加调节螺钉的结构图5-6(d)零点调节前后的响应
*加入传输零点调节螺钉后,通带低频端和高频端的传输零点向通带靠近。
在垂直于介质的面上加螺钉和在侧面加螺钉,对传输零点的调节效果相同。
参考文献:
[1]Xiao-PengLinag“ModelingofCylindricalDielectricResonatorsinRectangularWaveguidesandCavities”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques.VOL.41.NO12.December1993
[2].Dr.B.MayerandDr.M.H.Vogel“EfficientDesignofChebychevBand_PassFilterwithAnsoftHFSSandSerenade”AnsoftCorporation