介質(zhì)濾波器是一種采用介質(zhì)諧振腔經(jīng)過(guò)多級(jí)耦合而取得選頻作用的微波濾波器,進(jìn)入21世紀(jì)后,介質(zhì)濾波器經(jīng)過(guò)理論和實(shí)踐方面的長(zhǎng)期積累,逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線。
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介質(zhì)濾波器是由若干個(gè)介質(zhì)諧振器耦合而成的。金屬空腔諧振器的主要損耗來(lái)自導(dǎo)體的損耗,介質(zhì)濾波器用介質(zhì)(如微波陶瓷)取代金屬導(dǎo)體,能夠把電磁場(chǎng)限制于諧振腔之內(nèi),因此具有較高的Q值。
根據(jù)電磁波的傳播特性,當(dāng)電磁波從高介電常數(shù)的介質(zhì)進(jìn)入低介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí),會(huì)在介質(zhì)分界面上發(fā)生發(fā)射和折射。當(dāng)入射角大于或等于臨界角時(shí),電磁波將會(huì)發(fā)生全反射。
介質(zhì)的介電常數(shù)越高,臨界角越小,全反射現(xiàn)象就越容易發(fā)生.在介質(zhì)表面也就越容易形成磁壁。由磁壁圍成的介質(zhì)塊構(gòu)成介質(zhì)諧振器。這種由高介電常數(shù)、低損耗介質(zhì)材料所形成的微波諧振器,其電磁場(chǎng)能量基本上都集中在諧振腔內(nèi),輻射損耗非常小。介質(zhì)本身的損耗決定諧振器的Q值,即Q=1/tanδ。
一些常用介質(zhì)材料的損耗角正切值通常為0.0001~0.0002,其Q值可達(dá)500~10 000。正是因?yàn)榻橘|(zhì)的品質(zhì)因數(shù)很高,電磁能量絕大部分集中在介質(zhì)諧振器之內(nèi),所以電磁振蕩極易維持下去。因此,介質(zhì)諧振器可以作為濾波器使用。
目前,陶瓷介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)約為39,最大可以做到90以上。因此,使用介質(zhì)材料作諧振器,可以大大縮減濾波器的體積和質(zhì)量,并且不會(huì)降低濾波器的性能。
介質(zhì)濾波器的表面覆蓋著切向電場(chǎng)為零的金屬層,電磁波被限制在介質(zhì)內(nèi),形成駐波振蕩,其幾何尺寸約為波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半。材料一般采用相對(duì)介電常數(shù)為60~80之間的陶瓷,實(shí)際應(yīng)用于無(wú)線通信中的介質(zhì)陶瓷濾波器尺寸在厘米級(jí)。
介質(zhì)濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是功率容量大,插入損耗低,但存在兩大缺點(diǎn):
一,體積較大,在厘米量級(jí),與集成電路相比占用了系統(tǒng)很大的體積;
二,介質(zhì)濾波器一般是分立器件,無(wú)法與信號(hào)處理電路進(jìn)行集成,而且由濾波器到信號(hào)處理芯片需要經(jīng)過(guò)一條不可忽略的傳輸線,必須進(jìn)行阻抗匹配,不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且造成一定的信號(hào)衰減。