大功率介質腔濾波器設計

周水杉

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大功率介質腔濾波器設計

周水杉

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

針對腔體濾波器在低氣壓環境下容易發生功率擊穿的難題，提出了一種高值介質腔濾波器的設計方法，可以有效地提高濾波器低氣壓功率放電的閾值，按照此方法，設計了一款TM模介質腔濾波器，使用CST、Ansoft Designer軟件進行仿真和優化，使用矢量網絡分析儀對制作的產品進行了性能測試，測試曲線和仿真曲線完全吻合，此濾波器能夠在低氣壓（13~101 000 Pa）環境中通過20 W的功率信號，且濾波器值高，體積小。

橫磁模(TM)；低氣壓放電；介質諧振器；大功率；濾波器；性能測試

隨著空間衛星通信的快速發展，深空探測以及遠距離通信活動對通信系統中的濾波器提出更加苛刻的要求[1]，特別是發射功率的不斷提高，對腔體濾波器提出了更高的功率承載要求，因為一旦濾波器發生功率放電，則相關設備性能會變差或失效[2-3]。

目前航天器使用的介質腔濾波器在低氣壓環境下（13~101 000 Pa）功率閾值小于5 W，并且體積大；波導濾波器的體積和質量更大，不適合在航天器上使用，無源LC濾波器損耗大且功率容量低，低于2 W[4]，所以開發一款體積小、低氣壓（13~101 000 Pa）功率承載高（20 W）、值高的濾波器顯得尤為迫切。

本文介紹了一種介質腔濾波器[5]，其使用38相對介電常數的微波介質材料制成的諧振器，通過選取合適的長度和直徑比，選擇需要的諧振模式，通過電磁仿真軟件（CST）優化其電場強度，通過（Ansoft Designer軟件）拓撲仿真計算出單腔儲能，實現了濾波器能夠在低氣壓環境中（13~101 000 Pa）承受20 W的功率信號，有效地避免低氣壓放電。

1 介質諧振器

1.1 介質諧振器的組分

本文選取相對介電常數38的鈦酸鋯硒陶瓷為介質，其主要采用二氧化鈦、二氧化鋯、氧化硒、氧化釤、氧化釹等材料按一定比例混合，經1 400℃燒結等工藝制成，具有無載值高，結構致密，溫漂系數小(–2×10–6～＋2×10–6)的特點。

1.2 諧振模式

長期工程應用中發現，介質諧振器在不同的尺寸下，其諧振模式和諧振頻率關系如圖1所示，其各個諧振模式比較鄰近，在研制時首先就要解決分離其諧振模式的問題，否則制成濾波器后，其他諧振模式引起的寄生通帶會影響濾波器的性能。常用的橫電模TE01δ模式介質諧振器選取高度和直徑比為0.4，橫磁模TM01δ模式選取高度和直徑比1.6，利用此結果建模。

圖1 諧振器高比直徑與諧振頻率的關系

1.3 介質諧振器諧振模式

介質諧振模式有橫電模（TE模）和橫磁模（TM模），其模式數一般為非負的整數，表示場沿著軸方向的半波數，為小于1的非整數，所以介質諧振器TE01δ的場沿著縱軸方向的變化會小于半個波長。介質腔諧振器底部和頂部的理想磁邊界（PMC）條件以及金屬外殼的理想電邊界（PEC）條件，能夠在邊界面上電場和磁場的切向方向分量具有連續性[2-3]。求解方程

其中：

（2）

TE01δ模對應TE模數為=0，=1，<1。

（4）

介質諧振頻率為：

（6）

式中：為傳播常數；為介質諧振器長度；01為貝塞爾函數參量；為介質諧振器直徑；為材料磁導率；r為材料相對介電常數；為介質諧振頻率，所以介質諧振頻率與介質諧振器直徑成反比，根據TE01δ模式介質諧振器選取高度和直徑比為0.4，TM01δ模式選取高度和直徑比1.6，所以在相同諧振頻率時，TE模介質腔的體積要大于TM模，TM模介質諧振器與同軸腔濾波器體積大小近似[6-8]，所以在實際使用時要依據不同的需要，選擇不同模式的介質諧振器。

2 介質腔濾波器功率設計

本文設計的帶通濾波器要求較窄的工作頻段，同時滿足20 W功率信號的低氣壓（13~101 000 Pa）條件，濾波器指標如下：

①工作中心頻率：2 234 MHz；

②帶寬：≥20 MHz;

③駐波比：≤1.3:1；

④矩形度(BW40dB/BW1dB)：≤3

2.1 介質諧振腔濾波器電磁場仿真

利用CST三維電磁仿真軟件仿真濾波器本征模型，圖2為TM模介質腔諧振器的電場分布圖，電場主要集中在介質諧振器的頂端，通過優化介質諧振器頂端和盒體的距離，以及頂端與調試螺釘的伸入量，能夠保證諧振頻率為2 234 MHz時，電場強度最小，本文通過優化設計，最小電場強度為 0.989 35 V/m。電場強度較小，電場擊穿閾值較高。圖3為TM模介質腔諧振器磁場分布圖，磁場主要集中在介質四周，靠近介質處磁場較強，形成一個閉合環路。

2.2 拓撲結構分析及儲能計算

通過Ansoft Designer仿真軟件擬合介質腔濾波器的拓撲結構，如圖4所示。濾波器每個諧振器的加載電容等效為電容，耦合用阻抗的形式給出，其仿真曲線如圖5所示。

圖2 TM模介質諧振器電場分布圖

圖3 TM模介質諧振器磁場分布圖

圖4 濾波器電路拓撲

圖5 濾波器仿真曲線

通過Ansoft Designer仿真軟件，可計算出濾波器每個諧振腔內的最大儲能，如圖6所示，每個諧振腔的儲能不同，且通帶邊沿比中心頻點處的儲能大，功率擊穿最容易發生在儲能最大的腔，及單腔儲能越高，功率擊穿閥值越低，所以選取儲能最大的第三諧振腔進行分析。

當介質腔濾波器輸入1 W功率時，=16×10–9W（第三腔儲能），通過電場與儲能換算：

計算出最大擊穿場強max=2×103V/m，式中：為介質諧振器的最大場強；為最大單腔儲能；in為輸入功率。

濾波器的低氣壓擊穿功率可查詢帕形曲線得到，氣體的擊穿場強與氣壓（Pa）以及濾波器內部有效間距eff（cm）有關，如圖7所示，低氣壓環境中，氣體擊穿場強最小為7.8×102V/cm，大于介質腔濾波器的設計值2×10 V/cm，所以該產品能夠滿足在低氣壓（13~101 000 Pa）環境下的不被功率擊穿。

圖7 空氣功率擊穿帕形曲線[9-10]

3 實物與測試曲線

通過上述分析和仿真，進行了合理的結構布局，并進行加工制作，表面鍍銀。圖8為介質腔濾波器實物內部照片，輸入輸出方式采用耦合環，能夠實現良好阻抗匹配，通過開窗的大小控制濾波器的耦合量，諧振器是相對介電常數38的鈦酸鋯硒陶瓷介質，通過以上措施保證了濾波器的無載值。

使用矢量網絡分析儀對產品進行測試，實測曲線為圖9，與仿真曲線完全吻合，全部技術指標滿足要求：帶寬21.9 MHz，矩形度2.9，駐波1.15。在（13~101 000 Pa）低氣壓下通過20 W功率信號，無明顯低氣壓放電現象，且體積小（整個介質腔濾波器體積56 mm×56 mm×30 mm），值高達3 600。

圖8 介質腔濾波器內部照片

圖9 介質腔濾波器實測曲線

4 結論

本文依據介質諧振器的電磁場特點，提出了一種大功率介質腔濾波器的設計方法，及通過諧振器高比直徑與諧振頻率的關系，選擇諧振器最優尺寸，利用單腔電場仿真和電路拓撲仿真結果，計算濾波器的最大儲能，輸入輸出采用耦合環的方式匹配，性能良好，另外介質腔濾波器體積小、值高，有利于小型化應用。

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（編輯：陳豐）

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，高級工程師，河南鹿邑人，主要從事電子陶瓷、微波元器件及高端傳感器的研究、制造、應用和推廣工作，E-mail: lxqing9725@sina.com。

網絡出版時間：2017-02-14 15:13:45

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