[科普中国]-介质滤波器

简介

介质滤波器是一种采用介质谐振腔经过多级耦合而取得选频作用的微波滤波器。进入21世纪后，介质滤波器经过理论和实践方面的长期积累，逐渐从实验室走向生产线。由于介质滤波器具有小型化、低损耗和温度特性好等优点，所以在移动通信和微波通信等系统中得到了广泛应用。其特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄，特别适合CT1，CT2，900MHz，1.8GHz，2.4GHz，5.8GHz，便携电话、汽车电话、无线耳机、无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。

介质滤波器的表面覆盖着切向电场为零的金属层，电磁波被限制在介质内，形成驻波振荡，其几何尺寸约为波导波长的一半。材料一般采用相对介电常数为60~80之间的陶瓷，实际应用于无线通信中的介质陶瓷滤波器尺寸在厘米级。

介质滤波器的主要优点是功率容量大，插入损耗低，但存在两大缺点：第一，体积较大，在厘米量级，与集成电路相比占用了系统很大的体积；第二，介质滤波器一般是分立器件，无法与信号处理电路进行集成，而且由滤波器到信号处理芯片需要经过一条不可忽略的传输线，必须进行阻抗匹配，不但结构复杂而且造成一定的信号衰减。1

介质滤波器的工作原理介质滤波器是由若干个介质谐振器耦合而成的。金属空腔谐振器的主要损耗来自导体的损耗，介质滤波器用介质(如微波陶瓷)取代金属导体，能够把电磁场限制于谐振腔之内，因此具有较高的Q值。

根据电磁波的传播特性，当电磁波从高介电常数的介质进入低介电常数的介质时，会在介质分界面上发生发射和折射。当入射角大于或等于临界角时，电磁波将会发生全反射。介质的介电常数越高，临界角越小，全反射现象就越容易发生．在介质表面也就越容易形成磁壁。由磁壁围成的介质块构成介质谐振器。这种由高介电常数、低损耗介质材料所形成的微波谐振器，其电磁场能量基本上都集中在谐振腔内，辐射损耗非常小。介质本身的损耗决定谐振器的Q值，即Q=1/tanδ。一些常用介质材料的损耗角正切值通常为0．0001～0．0002，其Q值可达500～10 000。正是因为介质的品质因数很高，电磁能量绝大部分集中在介质谐振器之内，所以电磁振荡极易维持下去。因此，介质谐振器可以作为滤波器使用。目前，陶瓷介质材料的相对介电常数约为39，最大可以做到90以上。因此，使用介质材料作谐振器，可以大大缩减滤波器的体积和质量，并且不会降低滤波器的性能2。

介质滤波器在光通信领域的应用介质滤波器与空峪精振器滤波器相比，可以实现小型化。在20世纪70年代，介质滤波器就被用于微波通信领域，80年代以后，随着蜂窝电话的出现，介质滤波器也被用于移动通信系统。现在，介质滤波器作为小型化的高频，在微波和移动通信领域已不可或缺。利用高介电常数(相对介电常数大于30)的陶瓷材料制作的介质滤波器，其体积仅为空腔精振器滤波器的几分之一，更重要的是随着陶瓷材料的发展，介质滤波器的谐振频率随温度的变化量可以控制在很小的范围。介质滤波器不仅可以作为微波中继线路以及移动通信系统里的带通滤波器，还以作为光通信应用的时钟信号抽出滤波器。

现在市场上的介质滤波器按结构可以分为两大类，一类是采用TE01δ模的介质谐振器型滤波器，其滤波原理是输入的电磁能量首先传入输入端的介质谐振器，通过谐振传人相邻的介质谐振器，又经过输出端的介质谐振器输出电磁波，在这一连串的谐振过程中，只允许频率成分在谐振频率附近的电磁波通过，从而发挥带通滤波器的作用。第二类是采用TEM模介质谐振器型的滤波器，滤波原理与第一类介质滤波器大体相同：电磁波经过输入端的耦合电容器注入介质谐振器。引起电磁谐振，同样也是只允许频率成分在谐振频率附近的电磁波通过，起到带通滤波器的作用。

介质滤波器在光通信中也是不可缺少的电子器件。其中的时钟抽出滤波器就是一个介质滤波器。可以看到，光缆传送的光信号必须经过光接收机才能转化为通信设备所能接收的电信号，首先，经过光缆传送的光信号通过光电二极管转化为电信号，然后，电信号经过2倍增器输入到时钟脉冲抽出滤波器，产生的时钟脉冲信号与放大的电信号一同进入“1”“0”判断电路，最后输出数据信号。各部分功能电路的输入输出波形在光通信里通常采用NRZ(不归零制)编码传送方式，这种编码相当于数据信号的信息直接编人，不包括怎样用定时方法判别“1”或“0”的同步信号。因此，在接收NRZ信号时，需要一种能由输入的NRZ信号制作出同步信号的时钟脉冲抽取电路，在这一过程中，窄带介质滤波器可以大显身手，将NRZ信号中的同步信号成分提取出来。有了同步信号。就可以通过选通的方法将已失真的NRZ信号变换成规整的数据信号。使用上述接收方法的光信号接收机主要用于长距离传送信号的通信主干网。3