介质滤波器设计及运用

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介质滤波器是一种采用介质谐振腔经过多级耦合而取得选频作用的微波滤波器。进入21世纪后,介质滤波器经过理论和实践方面的长期积累,逐渐从实验室走向生产线。

由于介质滤波器具有小型化、低损耗和温度特性好等优点,所以在移动通信和微波通信等系统中得到了广泛应用。其特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄,特别适合CT1,CT2,900MHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz,5G,便携电话、汽车电话、无线耳机、无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。

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介质滤波器的表面覆盖着切向电场为零的金属层,电磁波被限制在介质内,形成驻波振荡,其几何尺寸约为波导波长的一半。材料一般采用相对介电常数为60~80之间的陶瓷,实际应用于无线通信中的介质陶瓷滤波器尺寸在厘米级。

介质滤波器的主要优点是功率容量大,插入损耗低,但存在两大缺点:第一,体积较大,在厘米量级,与集成电路相比占用了系统很大的体积;第二,介质滤波器一般是分立器件,无法与信号处理电路进行集成,而且由滤波器到信号处理芯片需要经过一条不可忽略的传输线,必须进行阻抗匹配,不但结构复杂而且造成一定的信号衰减。

工作原理

介质滤波器是由若干个介质谐振器耦合而成的。金属空腔谐振器的主要损耗来自导体的损耗,介质滤波器用介质(如微波陶瓷)取代金属导体,能够把电磁场限制于谐振腔之内,因此具有较高的Q值。

根据电磁波的传播特性,当电磁波从高介电常数的介质进入低介电常数的介质时,会在介质分界面上发生发射和折射。当入射角大于或等于临界角时,电磁波将会发生全反射。介质的介电常数越高,临界角越小,全反射现象就越容易发生.在介质表面也就越容易形成磁壁。由磁壁围成的介质块构成介质谐振器。这种由高介电常数、低损耗介质材料所形成的微波谐振器,其电磁场能量基本上都集中在谐振腔内,辐射损耗非常小。介质本身的损耗决定谐振器的Q值,即Q=1/tanδ。一些常用介质材料的损耗角正切值通常为0.0001~0.0002,其Q值可达500~10 000。正是因为介质的品质因数很高,电磁能量绝大部分集中在介质谐振器之内,所以电磁振荡极易维持下去。因此,介质谐振器可以作为滤波器使用。目前,陶瓷介质材料的相对介电常数约为39,最大可以做到90以上。因此,使用介质材料作谐振器,可以大大缩减滤波器的体积和质量,并且不会降低滤波器的性能。

来源:射频百花潭

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