大功率介质腔滤波器设计

周水杉



大功率介质腔滤波器设计

周水杉

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

针对腔体滤波器在低气压环境下容易发生功率击穿的难题，提出了一种高值介质腔滤波器的设计方法，可以有效地提高滤波器低气压功率放电的阈值，按照此方法，设计了一款TM模介质腔滤波器，使用CST、Ansoft Designer软件进行仿真和优化，使用矢量网络分析仪对制作的产品进行了性能测试，测试曲线和仿真曲线完全吻合，此滤波器能够在低气压（13~101 000 Pa）环境中通过20 W的功率信号，且滤波器值高，体积小。

横磁模(TM)；低气压放电；介质谐振器；大功率；滤波器；性能测试

随着空间卫星通信的快速发展，深空探测以及远距离通信活动对通信系统中的滤波器提出更加苛刻的要求[1]，特别是发射功率的不断提高，对腔体滤波器提出了更高的功率承载要求，因为一旦滤波器发生功率放电，则相关设备性能会变差或失效[2-3]。

目前航天器使用的介质腔滤波器在低气压环境下（13~101 000 Pa）功率阈值小于5 W，并且体积大；波导滤波器的体积和质量更大，不适合在航天器上使用，无源LC滤波器损耗大且功率容量低，低于2 W[4]，所以开发一款体积小、低气压（13~101 000 Pa）功率承载高（20 W）、值高的滤波器显得尤为迫切。

本文介绍了一种介质腔滤波器[5]，其使用38相对介电常数的微波介质材料制成的谐振器，通过选取合适的长度和直径比，选择需要的谐振模式，通过电磁仿真软件（CST）优化其电场强度，通过（Ansoft Designer软件）拓扑仿真计算出单腔储能，实现了滤波器能够在低气压环境中（13~101 000 Pa）承受20 W的功率信号，有效地避免低气压放电。

1 介质谐振器

1.1 介质谐振器的组分

本文选取相对介电常数38的钛酸锆硒陶瓷为介质，其主要采用二氧化钛、二氧化锆、氧化硒、氧化钐、氧化钕等材料按一定比例混合，经1 400℃烧结等工艺制成，具有无载值高，结构致密，温漂系数小(–2×10–6～＋2×10–6)的特点。

1.2 谐振模式

长期工程应用中发现，介质谐振器在不同的尺寸下，其谐振模式和谐振频率关系如图1所示，其各个谐振模式比较邻近，在研制时首先就要解决分离其谐振模式的问题，否则制成滤波器后，其他谐振模式引起的寄生通带会影响滤波器的性能。常用的横电模TE01δ模式介质谐振器选取高度和直径比为0.4，横磁模TM01δ模式选取高度和直径比1.6，利用此结果建模。

图1 谐振器高比直径与谐振频率的关系

1.3 介质谐振器谐振模式

介质谐振模式有横电模（TE模）和横磁模（TM模），其模式数一般为非负的整数，表示场沿着轴方向的半波数，为小于1的非整数，所以介质谐振器TE01δ的场沿着纵轴方向的变化会小于半个波长。介质腔谐振器底部和顶部的理想磁边界（PMC）条件以及金属外壳的理想电边界（PEC）条件，能够在边界面上电场和磁场的切向方向分量具有连续性[2-3]。求解方程

其中：

（2）

TE01δ模对应TE模数为=0，=1，<1。

（4）

介质谐振频率为：

（6）

式中：为传播常数；为介质谐振器长度；01为贝塞尔函数参量；为介质谐振器直径；为材料磁导率；r为材料相对介电常数；为介质谐振频率，所以介质谐振频率与介质谐振器直径成反比，根据TE01δ模式介质谐振器选取高度和直径比为0.4，TM01δ模式选取高度和直径比1.6，所以在相同谐振频率时，TE模介质腔的体积要大于TM模，TM模介质谐振器与同轴腔滤波器体积大小近似[6-8]，所以在实际使用时要依据不同的需要，选择不同模式的介质谐振器。

2 介质腔滤波器功率设计

本文设计的带通滤波器要求较窄的工作频段，同时满足20 W功率信号的低气压（13~101 000 Pa）条件，滤波器指标如下：

①工作中心频率：2 234 MHz；

②带宽：≥20 MHz;

③驻波比：≤1.3:1；

④矩形度(BW40dB/BW1dB)：≤3

2.1 介质谐振腔滤波器电磁场仿真

利用CST三维电磁仿真软件仿真滤波器本征模型，图2为TM模介质腔谐振器的电场分布图，电场主要集中在介质谐振器的顶端，通过优化介质谐振器顶端和盒体的距离，以及顶端与调试螺钉的伸入量，能够保证谐振频率为2 234 MHz时，电场强度最小，本文通过优化设计，最小电场强度为 0.989 35 V/m。电场强度较小，电场击穿阈值较高。图3为TM模介质腔谐振器磁场分布图，磁场主要集中在介质四周，靠近介质处磁场较强，形成一个闭合环路。

2.2 拓扑结构分析及储能计算

通过Ansoft Designer仿真软件拟合介质腔滤波器的拓扑结构，如图4所示。滤波器每个谐振器的加载电容等效为电容，耦合用阻抗的形式给出，其仿真曲线如图5所示。

图2 TM模介质谐振器电场分布图

图3 TM模介质谐振器磁场分布图

图4 滤波器电路拓扑

图5 滤波器仿真曲线

通过Ansoft Designer仿真软件，可计算出滤波器每个谐振腔内的最大储能，如图6所示，每个谐振腔的储能不同，且通带边沿比中心频点处的储能大，功率击穿最容易发生在储能最大的腔，及单腔储能越高，功率击穿阀值越低，所以选取储能最大的第三谐振腔进行分析。

当介质腔滤波器输入1 W功率时，=16×10–9W（第三腔储能），通过电场与储能换算：

计算出最大击穿场强max=2×103V/m，式中：为介质谐振器的最大场强；为最大单腔储能；in为输入功率。

滤波器的低气压击穿功率可查询帕形曲线得到，气体的击穿场强与气压（Pa）以及滤波器内部有效间距eff（cm）有关，如图7所示，低气压环境中，气体击穿场强最小为7.8×102V/cm，大于介质腔滤波器的设计值2×10 V/cm，所以该产品能够满足在低气压（13~101 000 Pa）环境下的不被功率击穿。

图7 空气功率击穿帕形曲线[9-10]

3 实物与测试曲线

通过上述分析和仿真，进行了合理的结构布局，并进行加工制作，表面镀银。图8为介质腔滤波器实物内部照片，输入输出方式采用耦合环，能够实现良好阻抗匹配，通过开窗的大小控制滤波器的耦合量，谐振器是相对介电常数38的钛酸锆硒陶瓷介质，通过以上措施保证了滤波器的无载值。

使用矢量网络分析仪对产品进行测试，实测曲线为图9，与仿真曲线完全吻合，全部技术指标满足要求：带宽21.9 MHz，矩形度2.9，驻波1.15。在（13~101 000 Pa）低气压下通过20 W功率信号，无明显低气压放电现象，且体积小（整个介质腔滤波器体积56 mm×56 mm×30 mm），值高达3 600。

图8 介质腔滤波器内部照片

图9 介质腔滤波器实测曲线

4 结论

本文依据介质谐振器的电磁场特点，提出了一种大功率介质腔滤波器的设计方法，及通过谐振器高比直径与谐振频率的关系，选择谐振器最优尺寸，利用单腔电场仿真和电路拓扑仿真结果，计算滤波器的最大储能，输入输出采用耦合环的方式匹配，性能良好，另外介质腔滤波器体积小、值高，有利于小型化应用。

[1] 张娜, 崔万照, 胡天存, 等. 微放电效应研究进展 [J]. 空间电子技术, 2011(1): 38-43.

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[4] WANG C, ZAKI K A. Dielectric resonators and filters [J]. IEEE Microwave Mag, 2007, 8(5): 115-127.

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[6] 徐学基, 褚定昌. 气体放电物理[M]. 上海: 复旦大学出版社, 1996.

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[10] YU M. Introduction to practical aspects of microwave filter design and realization [C]//IEEE International Microwave Symposium. Filter II: Practical Aspects of Microwave Filter Design and Realization. NY, USA: IEEE, 2005.

（编辑：陈丰）

Design of a high power filter using dielectric resonators

ZHOU Shuishan

(The 13th Research of CETC, Shijiazhuang 050051, China)

Aiming at the problem that cavity filter is prone to power breakdown in low pressure environment, a design method of highvalue dielectric cavity filter was presented, which can effectively improve the threshold of low pressure power discharge of filter. A TM mode dielectric cavity filter was designed and simulated using CST and Ansoft Designer. The performance of the product was tested by vector network analyzer. The test curve and the simulation curve are in good agreement with each other. This filter can be in low pressure (1.3－101 000 Pa) environment through the 20 W power signal, and the filter has highvalue and small volume.

TM mode; low-pressure discharge; dielectric resonator; high power; wave filter; performance testing

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.011

TM28

A

1001-2028（2017）02-0050-04

2017-01-09

周水杉（1961－）男，高级工程师，河南鹿邑人，主要从事电子陶瓷、微波元器件及高端传感器的研究、制造、应用和推广工作，E-mail: lxqing9725@sina.com。

网络出版时间：2017-02-14 15:13:45

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.011.html