介质滤波器

传统应用的滤波器一般是由金属同轴腔体实现（实现原理如图1所示），金属同轴腔体由于自身材料损耗的原因，在限定腔体尺寸的情况下，无法取得很高的品质因数（Q值），导致各项性能指标都受到了限制，即使在金属表面采取一定的表面处理，也无法取得令人满意的结果。

图1  腔体滤波器实现结构原理

在欧美以及日本等发达国家，频率应用非常密集，导致了普通金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容问题，而采用介质材料来制作腔体滤波器就从根本上解决了上述问题，介质滤波器抛弃了传统的金属腔体，采用了一种高Q值的陶瓷介质材料（如图2所示），大大减小了腔体自身的损耗，提高滤波器的各项性能，特别是在相邻较近的频带能实现高抑制要求，而对插入损耗指标影响很小。相比传统金属腔谐振器，介质滤波器具有插损小、高抑制、温度漂移特性好的特点，而且功率容量和无源互调性能都得到了很大的改善。介质滤波器作为一款新型的无源射频器件，代表着高端射频器件的发展方向，凭借其优良的性能，势必会在民用通信领域中拥有为广阔的应用空间。

图2  介质滤波器

而介质滤波器应用到的介质谐振子不是自然界存在的，必须进行人工合成制作，需要通过各种材料，按照一定的比例铸压成为目前我们使用的介质谐振腔，制作工艺复杂也就导致了其价格要远大于一般金属腔体滤波器。

另外，由于需要实现高Q值的谐振腔体实现需求，而且介质滤波器的体积也明显大于传统滤波器（如下图所示）。

850MHz频段的传统金属腔滤波器与介质滤波器比较

目前国内各个设备供应商都在积极的研发新型的介质滤波器产品，但是受到介质滤波器的技术难度以及开发成本高等各因素的限制，介质滤波器的应用不是十分广泛。

▲很宽的工作频率覆盖范围；

▲低插入损耗、高的带外抑制；

▲多达数十级的小型化结构设计；

▲高达0.8％～30％的工作带宽；

▲温度范围从民用级到军用级；

▲多种形式的封装结构和灵活的输出接口形式。

介质谐振器的工艺流程 

固相反应法为本文制备微波介质陶瓷材料的方法。介质谐振器（简称 DR）工艺流程如图《介质谐振器的工艺流程》所示

1、配料：在配料之前，因先根据所研究体系，计算每种原料称取的质量。在配料过程中，使用电子称取原料，精度应控制在 0.001 g 之内。

2、一次球磨：称取好的原料倒入球磨罐中。原料中加入适当的水和氧化锆球，质量比一般为 1：1.2：3。然后将球磨罐放入球磨机内固定。运行球磨机 12 小时。

3、烘干：将球磨罐从球磨机上取出，将混合均匀的浆料倒入己编号号码的容器放入烘箱内，烘烤时间为 12 小时。

4、预烧：将烘干了的原料依次在研磨钵中研磨碎，放入己编好号的烧杯中并放入烧结炉。设定预烧温度曲线，让烧结炉自动运行。烧结速率为 5℃/min，从室内温度升至预烧温度保持一定时间（此时间视不同体系而定），然后自然降温。

5、二次球磨：将掺杂过后的料应用步骤 1 的过程进行。

6、造粒：如步骤 3，先将二次球磨过后的浆料烘干。然后，从烘箱中取出，放入研磨钵研磨成粉末状，加入 8%的PVA成型剂进行造粒。然后在玛瑙研钵中手工研磨，当研磨至如细沙状流动性较好时即可。将造粒好的料过 100 目的筛，未过筛的料重复研磨，直至可以过筛。

7、干压成型：将过完筛的造粒料，装入磨具中，使用液压机压制。在压力大约为 10M 左右，制成直径为 13mm，高度约为 5mm 的圆柱。

8、排胶烧结：将压制好的样品顺序摆放于锆板上，设置升温曲线，使炉子自动升温。从 100℃到 200℃时，升温速度为 2℃ /min，然后在 200℃保温 30min 以排出样品中的水分。然后继续以 2 ℃ /min 的速率升温至 500℃，在此温度下保温 4h 以排出样品中的 PVA。从 500℃升至预定的烧结温度，速率和在烧结温度保温的时间都要以具体体系而定。保温过后以刚才升温的速率降温至 500 ℃。之后，可以自然降温。

9、性能测试：在烧结的过程中，由于烧结炉中的温度不均匀，会使得样品表面不光滑，需要先对样品进行表面抛光处理，使其表面光滑平整，以便准确测试。

滤波器的指标可以形象的描述滤波器的频率响应特性。对于微波滤波器的设计来说，通常需要考虑的指标有下几项：

1、工作频率：是滤波器的通带频率范围，有两种定义方式；

①3dB带宽；由通带最小差损点（通带传输特性的最高点）向下移3dB时，所测得的通带宽度；这个定义是经典的定义，没有考虑插入损耗，工程中较少使用。

②差损带宽；满足插入损耗时所测带宽；这个定义相对严谨，在工程上常用。

2、中心频率：滤波器的通带的中心频点。

3、相对带宽：滤波器的绝对带宽与中心频率f0的比值。

4、插入损耗：由于滤波器的介入，在系统内引入的损耗，用网络插入滤波器前的负载功率与插入后的负载功率的比值来表示；可用S21参数来定量描述。

5、回波损巧：输入功率与反射功率的比值，可用S11参数来定量描述dB为度量单位。回波损耗表征了通带内驻波特性，与外部电路的匹配情况，一般认为至少应该大于10dB。

6、波纹系数：滤波器通带内频率响应函数的变化，波纹系数的大小等于频率响应画数最大幅值与最小幅值的差。

7、矩形系数：描述滤波器对带外信号的衰减程度，过渡带越陡峭，选择性越好。

8、品质因数Q值：滤波器品质因数描述了滤波器的频率选择性，定义为在谐振频率点上滤波器的平均储能与每周期损耗能量的比值。

9、群时延：微波滤波器的物理尺寸与通带内信号的波长在同一个量级，甚至大于通带内信号波长，信号在滤波器内的相位不再是常量，通过滤波器的信号相位会发生变化。

10、寄生通带：由于微波滤波器采用的是分布参数元件，分布参数传输线的频率响应特性是周期变化的，随着工作频率的升高，这些元件的感性和容性将发生转化，故在阻带中又会出现通带。这种通带就是寄生通带。

11、传输零点：传输零点又称衰减极点或者陷波点，指从通带到阻带的过渡段中一个明显的下陷点，传输零点的出现意味着滤波器的带外抑制能力非常好。