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介質濾波器

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濾波器的種類繁多，不同的種類應用的頻率範圍及場合不同。介質濾波器是通過介質諧振器之間的耦合構成。介質諧振器濾波器的Q值高、插入損耗低、尺寸小、重量輕，被廣泛應用在無線基站、衞星通信、導航系統、電子對抗等系統中。 [1] 
中文名
介質濾波器 [2] 
外文名
Dielectric Filter [2] 
優    點
插入損耗低、尺寸小、重量輕 [1] 
用    途
無線基站、衞星通信、導航系統、電子對抗等 [1] 
基本參數
工作頻率、中心頻率、相對帶寬、插入損耗等 [1] 
材    料
介質材料（如陶瓷） [2] 

目錄

  1. 1 定義
  2. 2 基本參數
  3. 3 基本理論
  1. 4 諧振頻率
  2. 5 介質濾波器結構
  3. 6 介質諧振器特性
  1. 7 製作工藝
  2. 8 光通信中的作用

介質濾波器定義

所謂介質濾波器（Dielectric Filter）是利用介質諧振器的濾波器。而介質諧振器（Dielectric Resonator）是由於電磁波在介質內部進行反覆地全反射所形成的。因為電磁波在高介質常數的物質裏傳播時，其波長可以縮短，正是利用這一特點可以構成微波諧振器。介質諧振器可由介質常數比空氣介質常數高出20100倍的陶瓷構成。於是，介質濾波器與以往的空腔諧振器相比，可以實現小型化。因此，早在七十年代，介質濾波器己廣泛用於微波通信領域。跨入八十年代，由於出現汽車電話和蜂窩電話，介質濾波器也用於移動通信領域。現在，介質濾波器作為高頻元器件，在微波通信和移動通信領域己成為不可缺少的電子元器件。 [2] 
介質濾波器的重要特點是容易小型化，實踐證實，利用高介質常數的陶瓷材料製作的介質濾波器，其體積可以達到僅是空腔諧振器型濾波器的幾分之一。更重要的是介質濾波器的諧振頻率隨温度變化量可以控制在很小的範圍。因為，如今對陶瓷材料的研究己相當深入，通過調整陶瓷材料的配方，可以獲得所要求的陶瓷性質。 [2] 
諧振腔是指一種能儲存電磁能元件，電場能和磁場能，它可以根據一定的時間轉換，稱為振盪過程。振盪的頻率稱為諧振頻率。我們常常接觸的是電磁諧振器，最簡單的結構中是電感 L 和電容 C 的低頻電路，有串聯和並聯兩種方式。兩個電子元件儲存能量，電能和磁能，諧振就在電感和電容上相互轉換能量。在微波頻段上，低頻電路 LC 諧振電路已經不能應用。傳統的諧振器一般是金屬腔，在空腔內磁場能量和電場能量相互轉換。電磁諧振器是在限定的一個範圍內電磁能量振盪構成的結構。介質諧振器來做微波濾波器，這些介質諧振器用較高介質常數材料製作，陶瓷介質材料有損耗較低和電磁性能好等優點。 [3] 

介質濾波器基本參數

濾波器的指標可以形象的描述濾波器的頻率響應特性。對於微波濾波器的設計來説，通常需要考慮的指標有下幾項： [1] 
1、工作頻率：是濾波器的通帶頻率範圍，有兩種定義方式； [1] 
①3dB帶寬；由通帶最小差損點（通帶傳輸特性的最高點）向下移3dB時，所測得的通帶寬度；這個定義是經典的定義，沒有考慮插入損耗，工程中較少使用。 [1] 
②差損帶寬；滿足插入損耗時所測帶寬；這個定義相對嚴謹，在工程上常用。 [1] 
2、中心頻率：濾波器的通帶的中心頻點。 [1] 
3、相對帶寬：濾波器的絕對帶寬與中心頻率f0的比值。 [1] 
4、插入損耗：由於濾波器的介入，在系統內引入的損耗，用網絡插入濾波器前的負載功率與插入後的負載功率的比值來表示；可用S21參數來定量描述。 [1] 
5、回波損耗：輸入功率與反射功率的比值，可用S11參數來定量描述dB為度量單位。回波損耗表徵了通帶內駐波特性，與外部電路的匹配情況，一般認為至少應該大於10dB。 [1] 
6、波紋係數：濾波器通帶內頻率響應函數的變化，波紋係數的大小等於頻率響應畫數最大幅值與最小幅值的差。 [1] 
7、矩形係數：描述濾波器對帶外信號的衰減程度，過渡帶越陡峭，選擇性越好。 [1] 
8、品質因數Q值：濾波器品質因數描述了濾波器的頻率選擇性，定義為在諧振頻率點上濾波器的平均儲能與每週期損耗能量的比值。 [1] 
9、羣時延：微波濾波器的物理尺寸與通帶內信號的波長在同一個量級，甚至大於通帶內信號波長，信號在濾波器內的相位不再是常量，通過濾波器的信號相位會發生變化。 [1] 
10、寄生通帶：由於微波濾波器採用的是分佈參數元件，分佈參數傳輸線的頻率響應特性是週期變化的，隨着工作頻率的升高，這些元件的感性和容性將發生轉化，故在阻帶中又會出現通帶。這種通帶就是寄生通帶。 [1] 
11、傳輸零點：傳輸零點又稱衰減極點或者陷波點，指從通帶到阻帶的過渡段中一個明顯的下陷點，傳輸零點的出現意味着濾波器的帶外抑制能力非常好。 [1] 

介質濾波器基本理論

諧振器諧振需要一定的區域，如一個金屬空腔內，區域邊界是導體壁（電阻率為 0），也稱之為電壁。電壁上，因為電場的切向分量和磁場的法方向分量為零，則輸入電磁波後，電磁波就在內部傳播，碰到電壁上會發生完全反射，電磁波一般不會波穿過導體壁。除去輸入和輸出端，電壁圍成一個封閉的腔，輸入適合頻率的電磁波時，電磁波將會在這個封閉腔的電壁上一直反射，反射多次後形成電磁駐波，這就是電磁諧振。理想導體壁圍成的腔內部能量無衰減模式，這個電磁諧振可以無衰減模式地維持下去，稱為無阻尼振盪。相反，如果導體壁不是理想的材料，由於腔內存在的衰減模式，形成的電磁振盪就會慢慢變弱，不會一直振盪，隨着能量慢慢變小，最後消失為 0，這種振盪過程稱為阻尼振盪。一個諧振器中電磁振盪維持時間的長短（時間常數）説明了 Q 值的大小。 [3] 
電磁波的反射、折射 電磁波的反射、折射 [3]
在高介電常數介質與空氣界面上，入射波為電磁波的反射和折射的情況如圖《電磁波的反射、折射》所示。假設有一種平面電磁波Ei從介質向空氣入射，入射角是θi則磁場入射後就會有一部分波被反射回來，成為了反射波Er反射角為θr，由反射原理知，θi=θr，存在小部分的能量波穿過了介質與空氣的界面，這個波叫透射波Et ，其折射角為θt 。由折射定律，入射角θi 與折射角θt之間的關係是εrsinθt= sinθr。因為相對介電常數總是大於 1，則θt總是大於θi。當θi=θc=sin-1（1/
r），θt為直角時，則這個電磁波產生的電磁波會沿着兩者的邊界面傳播，無限遠的場源為它提供能量，入射波電磁波不會影響它，稱它為表面波。電磁能量在介質內是隨入射波完全反射，沒有其他波穿過這個界面，則稱之為全反射。 [3] 
當發生全反射的入射角θi ，稱為臨界角θc ，只要入射角θi 大於臨界角θc時，如ε=49，則θc=8°12′這樣，即使電磁波沿着很靠近的臨界面的方向從介質斜入射（θi大於 8°12′）到界面，電磁波的能量也可以全部反射回來。介質常數大，介質界面和導體壁就會有相同的特徵，都可以讓入射波到界面後產生全反射。若介質界面和電壁的不能相近，如小介質常數介質對電磁波的反射特性是和入射到電壁上不同的。電磁波在導體壁上的電場切向分量為 0，所以入射波和反射波的電場切方向分量相互抵消，僅有法向量，最後形成的合成場的電力線垂直導體表面，這裏我們稱之為垂直電壁；介電常數高的介質不會存在垂直電壁，磁場切向分量可以等於零，就會發生能量的抵消在入射波和反射波的磁場切向分量上，則產生一個新合成場，合成場的磁力線和介質界面構成 90°夾角。 [3] 
界面與磁力線垂直的導體壁稱為磁壁，上面提到高介質點常數的介質表面和導體壁具有相近的特徵，則可以近似看做磁壁，εr→∞，它就是真正的磁壁。磁壁的磁場切向分量與電場法向量為 0 時，介質和電壁相互對偶。這樣電壁構成的空腔就能夠被用到微波諧振器中，空腔的導體壁是磁壁時，則腔內的介質塊也可看作為微波諧振器。結論是金屬腔的導體壁是磁壁，介電常數大的介質塊也是一個磁壁諧振器，電磁波在介質塊內發生全反射而一直振盪，能量儲存在介質塊，不會穿透界面，能量也不會衰減模式。 [3] 
電磁諧振在介質波導和介質諧振器中相同。介電常數大的介質棒諧振就像波導中導行電磁諧振。用這介質棒的材料做成環形，環的外圓半徑和內圓半徑之差等於介質棒的半徑，要求與環的連接處電磁波相位一樣，能量就在介質環內，電磁波在環內傳播，稱這個為行波環。如果介質衰減模式小，週期長，那麼電磁波就鎖定介質環中，成為環介質諧振器。介質環形成的周長相當於導波波導中電磁波的波長。 [3] 

介質濾波器諧振頻率

典型的介質諧振器 典型的介質諧振器 [4]
介質諧振器通常由具有高介電常數的圓柱形介質材料和安裝在金屬屏蔽腔的低介電常數的支撐柱構成。金屬屏蔽腔的大小需要確保其中模式頻率以漸消逝模式工作。介質諧振器的諧振頻率可以採用麥克斯韋方程精確求解，需要運用數值電磁法，通常還有混合壁法或開波導法來計算。還可以運用一些商業軟件來簡單求解介質諧振器的基本參數，如HFSS、CST 等，這些軟件能較快的對一些三維場結構電磁環境進行準確計算。 [4] 
當介質材料的介電常數很高時，介質諧振器的儲能主要集中在介質內部的，像 εr=40 的介質圓柱，95%以上電能和 60%以上磁能是儲存在圓柱體內的，餘下能量以指數衰減分佈在周圍空間。 [4] 

介質濾波器介質濾波器結構

TEoiδ Mode介質濾波器 TEoiδ Mode介質濾波器 [2]
現在市場上的介質濾波器商品，若按照結構劃分有以下兩大類別。一種採用TE01δMode的介質諧振器型濾波器。因為，其諧振器的Q值極高，這種結構的介質濾波器特別適合用於釐米波段和數GHz以上的微波頻段。另外一種結構的介質濾波器，它是利用TEMMode介質諧振器型的濾波器。 [2] 
TE01δMode模式介質諧振器的濾波原理如下：由輸入連接器輸入的電磁波能量，首先傳入輸入端的介質諧振器，通過諧振傳入相鄰的介質諧振器，又經輸出端的介質諧振器最終傳送到輸出端連接器實現輸出電磁波。在這一連串的諧振過程中，只允許諧振頻率附近的頻率成分電磁波通過，於是發揮帶通濾波器的作用。 [2] 
TEMMode介質諧振器 TEMMode介質諧振器 [2]
TEM模式介質諧振器的濾波原理和TE01δMode模式介質諧振器的濾波原理，大體上是相同的。當電磁波能量經過輸入端的藕合電容器注入介質諧振器，於是引起一連串的電磁諧振，同樣也是隻允許諧振頻率附近的頻率成分電磁波通過，發揮出帶通濾波器的作用。 [2] 

介質濾波器介質諧振器特性

當自由邊界條件下諧振介質塊可以以多種模式產生諧振。如果介電常數的值非常高，則電磁場的全部能量會被約束在介質諧振器中和它的附近，這樣的介質諧振器的能量衰減模式很小，無負載的 Q 值主要是受到了介質材料的衰減模式正切角上的限制。若諧振模的電磁能量全部儲存於介質諧振器內部，而且沒有受到外部場的影響，介質諧振器的無負載 Q 值可以表示成 [3] 
但是實際存在的介質諧振器，通常是因外部衰減模式而引起無負載 Q 值在減小。如果介質諧振器的介電常數約等於 100，則外部衰減模式的影響非常小，可以比較好的估算無負載品質因數的 Q 值。 [3] 
通常的情況下，介質諧振器的尺寸大小約等於電磁波在介質塊中傳播的波長。根據電磁理論得出λd=λ/εr，其中，λd是電磁波在介質材料中傳播的波長，λ為自由空間空氣中的波長和r 為相對介電常數。從式子上看，相對介電常數越高，介質諧振器的尺寸就越小。介質諧振器用的是介質陶瓷，放在金屬腔內，體積大小比金屬腔小很很多，其內部的電磁波波長為λd。常見的三種介質諧振器結構是方形諧振器、圓柱塊形狀諧振器和圓柱棒形狀諧振器。常用的介質諧振器的結構是圓柱狀的結構，這是廣泛使用的。在實際應用中，通常是固定在一個金屬腔的介質諧振器。一般金屬屏蔽的大小約是最大介質諧振器大小的 1.5 倍，目的是阻止外部的干擾領域影響到內部諧振頻率和無載 Q 值。 [3] 
除了相對介電常數和無負載 Q 值之外，對介質諧振器有着重要影響的參數為諧振頻率的温度係數τf。它是一個由温度變化諧振頻率的表徵，它包含熱膨脹係數αε固定結構中，介電温度係數τε和介電材料的熱膨脹係數的熱膨脹係數αε這三個獨立的指標。它們之間的關係是：τf=-τε/2-αεκ。 [3] 

介質濾波器製作工藝

介質諧振器的工藝流程 介質諧振器的工藝流程 [3]
固相反應法為本文製備微波介質陶瓷材料的方法。介質諧振器（簡稱 DR）工藝流程如圖《介質諧振器的工藝流程》所示 [3] 
1、配料：在配料之前，因先根據所研究體系，計算每種原料稱取的質量。在配料過程中，使用電子稱取原料，精度應控制在 0.001 g 之內。 [3] 
2、一次球磨：稱取好的原料倒入球磨罐中。原料中加入適當的水和氧化鋯球，質量比一般為 1：1.2：3。然後將球磨罐放入球磨機內固定。運行球磨機 12 小時。 [3] 
3、烘乾：將球磨罐從球磨機上取出，將混合均勻的漿料倒入己編號號碼的容器放入烘箱內，烘烤時間為 12 小時。 [3] 
4、預燒：將烘乾了的原料依次在研磨缽中研磨碎，放入己編好號的燒杯中並放入燒結爐。設定預燒温度曲線，讓燒結爐自動運行。燒結速率為 5℃/min，從室內温度升至預燒温度保持一定時間（此時間視不同體系而定），然後自然降温。 [3] 
5、二次球磨：將摻雜過後的料應用步驟 1 的過程進行。 [3] 
6、造粒：如步驟 3，先將二次球磨過後的漿料烘乾。然後，從烘箱中取出，放入研磨缽研磨成粉末狀，加入 8%的PVA成型劑進行造粒。然後在瑪瑙研缽中手工研磨，當研磨至如細沙狀流動性較好時即可。將造粒好的料過 100 目的篩，未過篩的料重複研磨，直至可以過篩。 [3] 
7、幹壓成型：將過完篩的造粒料，裝入磨具中，使用液壓機壓制。在壓力大約為 10M 左右，製成直徑為 13mm，高度約為 5mm 的圓柱。 [3] 
8、排膠燒結：將壓制好的樣品順序擺放於鋯板上，設置升温曲線，使爐子自動升温。從 100℃到 200℃時，升温速度為 2℃ /min，然後在 200℃保温 30min 以排出樣品中的水分。然後繼續以 2 ℃ /min 的速率升温至 500℃，在此温度下保温 4h 以排出樣品中的 PVA。從 500℃升至預定的燒結温度，速率和在燒結温度保温的時間都要以具體體系而定。保温過後以剛才升温的速率降温至 500 ℃。之後，可以自然降温。 [3] 
9、性能測試：在燒結的過程中，由於燒結爐中的温度不均勻，會使得樣品表面不光滑，需要先對樣品進行表面拋光處理，使其表面光滑平整，以便準確測試。 [3] 

介質濾波器光通信中的作用

介質濾波器在光通信中也是必不可少的電子器件，例如，利用光纜傳送的光信號必須經過光接收器才能轉換成電子機器所能接受的電信號，首先，光纜傳送的光信號通過光電二極管把光信號變換成電信號；然後，電信號通過2倍增器輸入到時鐘脈衝抽出濾波器，產生出的時鐘脈衝信號與放大後電信號一同進入“1”，“0”判別電路，最後輸出數據信號。這一系列的信號處理過程都是在時鐘抽出.數據輸出電路模塊裏實現的。 [2] 
值得注意的是在光通信裏通常都是採用一種叫作不歸零制NRZ（No Return to Zero）編碼傳送方式。在NRZ編碼方式裏，用高、低電平分別表示二進制信息的“1”和“0”；當數據信息由“1”變為“0”，或由“0”，變成“1”時，則表示信息的電平將發生翻轉，因此，NRZ也叫作異碼變化不歸零制。在NRZ信號裏，相當於數據信號的信息直接編入，但是不包括怎樣用定時方法判別“1”或“0”的同步信號。因此，接收NRZ信號時，需要一種能由輸入的NRZ信號製作出同步信號的時鐘脈衝信號抽取電路。在這一過程中，窄通頻帶的介質濾波器可以大顯身手，它能從NRZ信號中只將同步信號成分抽取出來。一旦有了同步信號，就可以通過選通的方法把己失真的NRZ信號變換成規整的數據信號。 [2] 
上述的接收方法的光信號接收器，主要是用於長距離傳送的通信主幹網；在當今的網絡通信時代，光通信應用需求急速擴大，例如，光纜通信網到家庭FTTH （FiberTo The Home）；因此不難想像，介質濾波器將在今後變成極為重要的電子元器件，在光通信領域也將發揮出更重要的作用。 [2] 
參考資料