介質濾波器

介質濾波器與空峪精振器濾波器相比，可以實現小型化。在20世紀70年代，介質濾波器就被用於微波通信領域，80年代以後，隨著蜂窩電話的出現，介質濾波器也被用於移動通信系統。現在，介質濾波器作為小型化的高頻，在微波和移動通信領域已不可或缺。利用高介電常數(相對介電常數大於30)的陶瓷材料製作的介質濾波器，其體積僅為空腔精振器濾波器的幾分之一，更重要的是隨著陶瓷材料的發展，介質濾波器的諧振頻率隨溫度的變化量可以控制在很小的範圍。介質濾波器不僅可以作為微波中繼線路以及移動通信系統里的帶通濾波器，還以作為光通信應用的時鐘信號抽出濾波器。

現在市場上的介質濾波器按結構可以分為兩大類，一類是採用TE01δ模的介質諧振器型濾波器，其濾波原理是輸入的電磁能量首先傳入輸入端的介質諧振器，通過諧振傳人相鄰的介質諧振器，又經過輸出端的介質諧振器輸出電磁波，在這一連串的諧振過程中，只允許頻率成分在諧振頻率附近的電磁波通過，從而發揮帶通濾波器的作用。第二類是採用TEM模介質諧振器型的濾波器，濾波原理與第一類介質濾波器大體相同：電磁波經過輸入端的耦合電容器注入介質諧振器。引起電磁諧振，同樣也是只允許頻率成分在諧振頻率附近的電磁波通過，起到帶通濾波器的作用。

介質濾波器在光通信中也是不可缺少的電子器件。其中的時鐘抽出濾波器就是一個介質濾波器。可以看到，光纜傳送的光信號必須經過光接收機才能轉化為通信設備所能接收的電信號，首先，經過光纜傳送的光信號通過光電二極體轉化為電信號，然後，電信號經過2倍增器輸入到時鐘脈衝抽出濾波器，產生的時鐘脈衝信號與放大的電信號一同進入“1”“0”判斷電路，最後輸出數據信號。各部分功能電路的輸入輸出波形在光通信里通常採用NRZ(不歸零制)編碼傳送方式，這種編碼相當於數據信號的信息直接編人，不包括怎樣用定時方法判別“1”或“0”的同步信號。因此，在接收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抽取電路，在這一過程中，窄帶介質濾波器可以大顯身手，將NRZ信號中的同步信號成分提取出來。有了同步信號。就可以通過選通的方法將已失真的NRZ信號變換成規整的數據信號。使用上述接收方法的光信號接收機主要用於長距離傳送信號的通信主幹網。

介質濾波器是一種採用介質諧振腔經過多級耦合而取得選頻作用的微波濾波器。進入21世紀后，介質濾波器經過理論和實踐方面的長期積累，逐漸從實驗室走向生產線。由於介質濾波器具有小型化、低損耗和溫度特性好等優點，所以在移動通信和微波通信等系統中得到了廣泛應用。其特點是插入損耗小、耐功率性好、帶寬窄，特別適合CT1，CT2，900MHz，1.8GHz，2.4GHz，5.8GHz，便攜電話、汽車電話、無線耳機、無線麥克風、無線電台、無繩電話以及一體化收發雙工器等的級向耦合濾波。

介質濾波器的表面覆蓋著切向電場為零的金屬層，電磁波被限制在介質內，形成駐波振蕩，其幾何尺寸約為波導波長的一半。材料一般採用相對介電常數為60~80之間的陶瓷，實際應用於無線通信中的介質陶瓷濾波器尺寸在厘米級。

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說，通常需要考慮的指標有下幾項：

1、工作頻率：是濾波器的通帶頻率範圍，有兩種定義方式；

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；送個定義是經典的定義，沒有考慮插入損耗，工程中較少使用。

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。

2、中心頻率：濾波器的通帶的中心頻點。

3、相對帶寬：濾波器的絕對帶寬與中心頻率f0的比值。

4、插入損耗：由於濾波器的介入，在系統內引入的損耗，用網路插入濾波器前的負載功率與插入后的負載功率的比值來表示；可用S21參數來定量描述。

5、回波損巧：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。

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。

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。

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周期損耗能量的比值。

9、群時延：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。

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周期變化的，隨著工作頻率的升高，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。

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著濾波器的帶外抑制能力非常好。

介質濾波器是由若干個介質諧振器耦合而成的。金屬空腔諧振器的主要損耗來自導體的損耗，介質濾波器用介質(如微波陶瓷)取代金屬導體，能夠把電磁場限制於諧振腔之內，因此具有較高的Q值。

根據電磁波的傳播特性，當電磁波從高介電常數的介質進入低介電常數的介質時，會在介質分界面上發生髮射和折射。當入射角大於或等於臨界角時，電磁波將會發生全反射。介質的介電常數越高，臨界角越小，全反射現象就越容易發生．在介質表面也就越容易形成磁壁。由磁壁圍成的介質塊構成介質諧振器。這種由高介電常數、低損耗介質材料所形成的微波諧振器，其電磁場能量基本上都集中在諧振腔內，輻射損耗非常小。介質本身的損耗決定諧振器的Q值，即Q=1/tanδ。一些常用介質材料的損耗角正切值通常為0．0001～0．0002，其Q值可達500～10000。正是因為介質的品質因數很高，電磁能量絕大部分集中在介質諧振器之內，所以電磁振蕩極易維持下去。因此，介質諧振器可以作為濾波器使用。目前，陶瓷介質材料的相對介電常數約為39，最大可以做到90以上。因此，使用介質材料作諧振器，可以大大縮減濾波器的體積和質量，並且不會降低濾波器的性能。

介質濾波器的主要優點是功率容量大，插入損耗低，但存在兩大缺點：第一，體積較大，在厘米量級，與集成電路相比佔用了系統很大的體積；第二，介質濾波器一般是分立器件，無法與信號處理電路進行集成，而且由濾波器到信號處理晶元需要經過一條不可忽略的傳輸線，必須進行阻抗匹配，不但結構複雜而且造成一定的信號衰減。