【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
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，也就无法实现微波滤波器的所有功能；具体原因如下图11与图12电场与磁场分布矢量所示：由图11金属谐振器电场与TE模陶瓷介质谐振器电场分布图可知，两个场都相对集中在各自谐振器的局部空间上，并且两个场之间相互垂直，这就决定了两个场之间仅靠窗口难于实现能量的交替耦合，也就是说电场之间也难以实现能量的传递；同样由图12可知，金属谐振器与TE模陶瓷介质谐振器各自的磁场分布也相对集中在各自金属杆或陶瓷介质中，并且两个场之间也相互垂直，这就决定了两个磁场之间仅靠窗口难于实现能量的交替耦合，也就是说磁场之间也难以实现能量的传递，也就无法实现滤波器的功能。
综上所述，现阶段很多TE模陶瓷介质滤波器设计方法中，通常的做法是所有的谐振器均采用陶瓷介质谐振器，因图11所示的耦合方式难于实现，故谐振器均采用竖立安装方式，难于解决两个谐振器之间能量耦合的问题，为了能实现图11装配结构的电磁耦合，本文提供一种理想而可靠、简单而易于大批量调试生产的结构方式，以实现图11的装配结构形式两个谐振器之间的电磁场能量的传递，并且实现滤波器的完整功能。
由上图12可知，金属谐振器的磁场沿XY平面围绕金属谐振杆侧面来回谐振，TE模陶瓷谐振器的磁场沿Z轴方向由中间集中向四周发散并上下谐振，金属谐振器与陶瓷谐振器两个磁场之间的方向完全垂直，由于这种磁场分布形式我们可以在两个谐振器之间加载一个金属片，金属片的结构形式如下图13所示：金属片一端连接在金属谐振器的底面，一端弯曲后连接在两个谐振器之间的窗口上，在加工工艺上可以采用小螺钉直接把金属片拧紧在金属腔体上，为什么采用这种添加金属片的形式就能使微波能量在两个谐振器之间相互耦合呢？原因请看下图14磁场矢量分布图可知。
由上图14磁场矢量分布图可知，在金属谐振器中，因磁场分布在金属杆侧面沿XY平面谐振旋转，环圈面刚好与金属谐振器中磁场方向垂直，故它的分量可通过金属片与金属腔侧壁组合而且的一个环圈，若环圈越大（金属片越靠近金属杆），通过环圈的磁通量越强烈，也就是说环圈耦合的磁场能量越大，同样道理，在陶瓷介质谐振器那边，因磁场集中在陶瓷中间沿Z轴上下谐振并向四周发散，靠近陶瓷介质的金属片因为弯曲后与金属腔壁组合的环圈刚好与磁场方向垂直，故陶瓷介质谐振器的磁场能被金属环耦合，若金属环面越大（金属片越靠近陶瓷介质，金属环有效空间也就越大），陶瓷谐振器的磁场能量被金属环耦合地更多，这样金属片一边耦合了金属谐振器的磁场能量，一边耦合了陶瓷谐振器的磁场能量，使得金属谐振器的磁场能量与陶瓷介质的磁场能量通过金属片相互耦合到一起，这就完全实现了微波能量的相互传递，那么通过这种添加金属片结构的耦合方式，也就很好地解决了金属谐振器与陶瓷谐振器之间的微波能量不能理想耦合传递的问题。
为了验证上面理论论述的正确性，我们做了一个简单的两阶滤波器，其中一个谐振器采用陶瓷材料制成，另一个谐振器采用金属材料制成，按照滤波器设计要求采用上图13的结构方式设计，滤波器的中心频率为2335MHz，带宽10MHz左右，我们发现很轻易就实现所需滤波器，下图16为所设计滤波器，其中金属片正上方中间加载一颗可调螺钉，调整螺钉的深度可以改变两个谐振器之间的耦合量强度，螺钉往里旋进时滤波器带宽加宽，螺钉往外退时滤波器带宽减弱，这种方式可以弥补结构件加工精度带来偏差的不足，即加工偏差的情况下可以用这种方式修正设计，使滤波器达到所需要求。
四、设计应用举例
为满足通信系统对传输信号高保真要求，现需设计一款低损耗、高带外抑制的高性能滤波器，用于优化通信系统的指标，滤波器电性能要求如下表2所示：
根据上述要求，滤波器采用13阶加六个传输零点的形式设计，滤波器的电路综合如下：
若电路中每一个谐振器Q值为15000，则滤波器响应曲线如下图18所示：
若电路中每一个谐振器Q值为7000时，则滤波器响应曲线如下图19所示：
我们知道一般的金属谐振器在结构尺寸受限制的条件下Q值难于实现大于7000以上的数值，而进口的陶瓷介质谐振器Q值可以达到15000左右，但我们知道按照现在的市场价格，一个小尺寸高Q的进口陶瓷介质谐振器需十几美金，而一个普通金属加工的而成的金属谐振器价格为人民币几块钱，可见滤波器由全陶瓷制成会导致产品价格高昂，消费者难于承受，而完全由金属件又无法实现产品指标。但我们细看上面当Q值为15000时仿真边频插损值最大为2.1223dB左右，而我们指标要求不大于3.5dB，故完全由介质谐振器实现产品指标余量非常大，这就预示着我们是否可以对部分陶瓷介质谐振器用低Q值的金属谐振器替代？我们把电路中第1、第3、第6、第10、第13号谐振器改成Q值为7000，其它谐振器Q值保持15000不变，则滤波器传输响应曲线如下图20所示：
由上图18可见，在考虑滤波器指标余量后，部分陶瓷谐振器完全可以被金属谐振器所取代，这样完全能大大降低滤波器的制作成本，具体结构优化如下图21、图22所示：
由上述图22所示，按照上面阐述的介质谐振器与金属谐振器耦合方式理论可知，滤波器中五个高价值的陶瓷谐振器被价格低廉的金属谐振器所取代，这就大大降低产品的设计生产成本。
五、结束语
根据陶瓷介质谐振器与金属谐振器电磁场分布特性，引入理想的耦合结构，使陶瓷介质谐振器与金属谐振器之间能够实现电磁能量的传递，并把这一技术应用在介质滤波器设计中，使介质滤波器部分价格高昂的谐振器被价格低廉的金属谐振器所取代，这不仅满足了产品电性能指标，还实现了产品的低成本化要求，使所设计生产的产品在市场上更能满足客户需求，并且更具竞争力。
参考文献
[1] Narrow-band multiple-coupled cavity synthesis. A. E. ATIA， MEMBER， IEEE， A. E. WILLIAMS， AND R. W. NEWCOMB， FELLOW， IEEE
[2] General Coupling Matrix Synthesis Methods for Chebyshev Filtering Functions”Richard J. Cameron， Senior Member， IEEE
