介質濾波器（英文Dielectric filter）利用介質陶瓷材料的低損耗、高介電常數、頻率溫度系數和熱膨脹系數小、可承受高功率等特點設計制作的，由數個長型諧振器縱向多級串聯或并聯的梯形線路構成。
所謂介質濾波器（Dielectric Filter）是利用介質諧振器的濾波器。而介質諧振器（Dielectric Resonator）是由于電磁波在介質內部進行反復地全反射所形成的。因為電磁波在高介質常數的物質里傳播時，其波長可以縮短，正是利用這一特點可以構成微波諧振器。介質諧振器可由介質常數比空氣介質常數高出20100倍的陶瓷構成。于是，介質濾波器與以往的空腔諧振器相比，可以實現小型化。因此，早在七十年代，介質濾波器己廣泛用于微波通信領域?？缛氚耸甏捎诔霈F汽車電話和蜂窩電話，介質濾波器也用于移動通信領域?，F在，介質濾波器作為高頻元器件，在微波通信和移動通信領域己成為不可缺少的電子元器件。
定義
介質濾波器的重要特點是容易小型化，實踐證實，利用高介質常數的陶瓷材料制作的介質濾波器，其體積可以達到僅是空腔諧振器型濾波器的幾分之一。更重要的是介質濾波器的諧振頻率隨溫度變化量可以控制在很小的范圍。因為，如今對陶瓷材料的研究己相當深入，通過調整陶瓷材料的配方，可以獲得所要求的陶瓷性質。
諧振腔是指一種能儲存電磁能元件，電場能和磁場能，它可以根據一定的時間轉換，稱為振蕩過程。振蕩的頻率稱為諧振頻率。我們常常接觸的是電磁諧振器，最簡單的結構中是電感L 和電容C 的低頻電路，有串聯和并聯兩種方式。兩個電子元件儲存能量，電能和磁能，諧振就在電感和電容上相互轉換能量。在微波頻段上，低頻電路 LC 諧振電路已經不能應用。傳統的諧振器一般是金屬腔，在空腔內磁場能量和電場能量相互轉換。電磁諧振器是在限定的一個范圍內電磁能量振蕩構成的結構。介質諧振器來做微波濾波器，這些介質諧振器用較高介質常數材料制作，陶瓷介質材料有損耗較低和電磁性能好等優點。
發展沿革
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，介質濾波器就被用于微波通信領域，80年代以后，隨著蜂窩電話的出現，介質濾波器也被用于移動通信系統?，F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(相對介電常數大于30)的陶瓷材料制作的介質濾波器，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范圍。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，一類是采用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。第二類是采用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?？梢钥吹剑饫|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管轉化為電信號，然后，電信號經過2倍增器輸入到時鐘脈沖抽出濾波器，產生的時鐘脈沖信號與放大的電信號一同進入“1”“0”判斷電路，最后輸出數據信號。各部分功能電路的輸入輸出波形在光通信里通常采用NRZ(不歸零制)編碼傳送方式，這種編碼相當于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信號制作出同步信號的時鐘脈沖抽取電路，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于長距離傳送信號的通信主干網。
介質濾波器是一種采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。由于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、無線電臺、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。材料一般采用相對介電常數為60~80之間的陶瓷，實際應用于無線通信中的介質陶瓷濾波器尺寸在厘米級。
配置參數
濾波器的指標可以形象的描述濾波器的頻率響應特性。對于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范圍，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：由于濾波器的介入，在系統內引入的損耗，用網絡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?；夭〒p耗表征了通帶內駐波特性，與外部電路的匹配情況，一般認為至少應該大于10dB。
6、波紋系數：濾波器通帶內頻率響應函數的變化，波紋系數的大小等于頻率響應畫數最大幅值與最小幅值的差。
7、矩形系數：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，甚至大于通帶內信號波長，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：由于微波濾波器采用的是分布參數元件，分布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。
功能特點
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，能夠把電磁場限制于諧振腔之內，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發射和折射。當入射角大于或等于臨界角時，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，并且不會降低濾波器的性能。
產品評價
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，與集成電路相比占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芯片需要經過一條不可忽略的傳輸線，必須進行阻抗匹配，不但結構復雜而且造成一定的信號衰減。
基本理論
諧振器諧振需要一定的區域，如一個金屬空腔內，區域邊界是導體壁（電阻率為 0），也稱之為電壁。電壁上，因為電場的切向分量和磁場的法方向分量為零，則輸入電磁波后，電磁波就在內部傳播，碰到電壁上會發生完全反射，電磁波一般不會波穿過導體壁。除去輸入和輸出端，電壁圍成一個封閉的腔，輸入適合頻率的電磁波時，電磁波將會在這個封閉腔的電壁上一直反射，反射多次后形成電磁駐波，這就是電磁諧振。理想導體壁圍成的腔內部能量無衰減模式，這個電磁諧振可以無衰減模式地維持下去，稱為無阻尼振蕩。相反，如果導體壁不是理想的材料，由于腔內存在的衰減模式，形成的電磁振蕩就會慢慢變弱，不會一直振蕩，隨著能量慢慢變小，最后消失為 0，這種振蕩過程稱為阻尼振蕩。一個諧振器中電磁振蕩維持時間的長短（時間常數）說明了 Q 值的大小。
電磁波的反射、折射
在高介電常數介質與空氣界面上，入射波為電磁波的反射和折射的情況如圖《電磁波的反射、折射》所示。假設有一種平面電磁波Ei從介質向空氣入射，入射角是θi則磁場入射后就會有一部分波被反射回來，成為了反射波Er反射角為θr，由反射原理知，θi=θr，存在小部分的能量波穿過了介質與空氣的界面，這個波叫透射波Et，其折射角為θt。由折射定律，入射角θi與折射角θt之間的關系是εrsinθt= sinθr。因為相對介電常數總是大于 1，則θt總是大于θi。當θi=θc=sin（1/r），θt為直角時，則這個電磁波產生的電磁波會沿著兩者的邊界面傳播，無限遠的場源為它提供能量，入射波電磁波不會影響它，稱它為表面波。電磁能量在介質內是隨入射波完全反射，沒有其他波穿過這個界面，則稱之為全反射。
當發生全反射的入射角θi，稱為臨界角θc，只要入射角θi大于臨界角θc時，如ε=49，則θc=8°12′這樣，即使電磁波沿著很靠近的臨界面的方向從介質斜入射（θi大于 8°12′）到界面，電磁波的能量也可以全部反射回來。介質常數大，介質界面和導體壁就會有相同的特征，都可以讓入射波到界面后產生全反射。若介質界面和電壁的不能相近，如小介質常數介質對電磁波的反射特性是和入射到電壁上不同的。電磁波在導體壁上的電場切向分量為 0，所以入射波和反射波的電場切方向分量相互抵消，僅有法向量，最后形成的合成場的電力線垂直導體表面，這里我們稱之為垂直電壁；介電常數高的介質不會存在垂直電壁，磁場切向分量可以等于零，就會發生能量的抵消在入射波和反射波的磁場切向分量上，則產生一個新合成場，合成場的磁力線和介質界面構成 90°夾角。
界面與磁力線垂直的導體壁稱為磁壁，上面提到高介質點常數的介質表面和導體壁具有相近的特征，則可以近似看做磁壁，εr→∞，它就是真正的磁壁。磁壁的磁場切向分量與電場法向量為 0 時，介質和電壁相互對偶。這樣電壁構成的空腔就能夠被用到微波諧振器中，空腔的導體壁是磁壁時，則腔內的介質塊也可看作為微波諧振器。結論是金屬腔的導體壁是磁壁，介電常數大的介質塊也是一個磁壁諧振器，電磁波在介質塊內發生全反射而一直振蕩，能量儲存在介質塊，不會穿透界面，能量也不會衰減模式。
電磁諧振在介質波導股份和介質諧振器中相同。介電常數大的介質棒諧振就像波導中導行電磁諧振。用這介質棒的材料做成環形，環的外圓半徑和內圓半徑之差等于介質棒的半徑，要求與環的連接處電磁波相位一樣，能量就在介質環內，電磁波在環內傳播，稱這個為行波環。如果介質衰減模式小，周期長，那么電磁波就鎖定介質環中，成為環介質諧振器。介質環形成的周長相當于導波波導中電磁波的波長。
諧振頻率
介質諧振器通常由具有高介電常數的圓柱形介質材料和安裝在金屬屏蔽腔的低介電常數的支撐柱構成。金屬屏蔽腔的大小需要確保其中模式頻率以漸消逝模式工作。介質諧振器的諧振頻率可以采用麥克斯韋方程精確求解，需要運用數值電磁法，通常還有混合壁法或開波導法來計算。還可以運用一些商業軟件來簡單求解介質諧振器的基本參數，如HFSS、CST 等，這些軟件能較快的對一些三維場結構電磁環境進行準確計算。
當介質材料的介電常數很高時，介質諧振器的儲能主要集中在介質內部的，像 εr=40 的介質圓柱，95%以上電能和 60%以上磁能是儲存在圓柱體內的，余下能量以指數衰減分布在周圍空間。
介質濾波器結構
現在市場上的介質濾波器商品，若按照結構劃分有以下兩大類別。一種采用TE01δMode的介質諧振器型濾波器。因為，其諧振器的Q值極高，這種結構的介質濾波器特別適合用于厘米波段和數GHz以上的微波頻段。另外一種結構的介質濾波器，它是利用TEMMode介質諧振器型的濾波器。
TE01δMode模式介質諧振器的濾波原理如下：由輸入連接器輸入的電磁波能量，首先傳入輸入端的介質諧振器，通過諧振傳入相鄰的介質諧振器，又經輸出端的介質諧振器最終傳送到輸出端連接器實現輸出電磁波。在這一連串的諧振過程中，只允許諧振頻率附近的頻率成分電磁波通過，于是發揮帶通濾波器的作用。
TEM模式介質諧振器的濾波原理和TE01δMode模式介質諧振器的濾波原理，大體上是相同的。當電磁波能量經過輸入端的藕合電容器注入介質諧振器，于是引起一連串的電磁諧振，同樣也是只允許諧振頻率附近的頻率成分電磁波通過，發揮出帶通濾波器的作用。
介質諧振器特性
當自由邊界條件下諧振介質塊可以以多種模式產生諧振。如果介電常數的值非常高，則電磁場的全部能量會被約束在介質諧振器中和它的附近，這樣的介質諧振器的能量衰減模式很小，無負載的 Q 值主要是受到了介質材料的衰減模式正切角上的限制。若諧振模的電磁能量全部儲存于介質諧振器內部，而且沒有受到外部場的影響，介質諧振器的無負載 Q 值可以表示成
但是實際存在的介質諧振器，通常是因外部衰減模式而引起無負載 Q 值在減小。如果介質諧振器的介電常數約等于 100，則外部衰減模式的影響非常小，可以比較好的估算無負載品質因數的 Q 值。
通常的情況下，介質諧振器的尺寸大小約等于電磁波在介質塊中傳播的波長。根據電磁理論得出λd=λ/εr，其中，λd是電磁波在介質材料中傳播的波長，λ為自由空間空氣中的波長和r? 為相對介電常數。從式子上看，相對介電常數越高，介質諧振器的尺寸就越小。介質諧振器用的是介質陶瓷，放在金屬腔內，體積大小比金屬腔小很很多，其內部的電磁波波長為λd。常見的三種介質諧振器結構是方形諧振器、圓柱塊形狀諧振器和圓柱棒形狀諧振器。常用的介質諧振器的結構是圓柱狀的結構，這是廣泛使用的。在實際應用中，通常是固定在一個金屬腔的介質諧振器。一般金屬屏蔽的大小約是最大介質諧振器大小的 1.5 倍，目的是阻止外部的干擾領域影響到內部諧振頻率和無載 Q 值。
除了相對介電常數和無負載 Q 值之外，對介質諧振器有著重要影響的參數為諧振頻率的溫度系數τf。它是一個由溫度變化諧振頻率的表征，它包含熱膨脹系數αε固定結構中，介電溫度系數τε和介電材料的熱膨脹系數的熱膨脹系數αε這三個獨立的指標。它們之間的關系是：τf=-τε/2-αεκ。
制作工藝
固相反應法為本文制備微波介質陶瓷材料的方法。介質諧振器（簡稱 DR）工藝流程如圖《介質諧振器的工藝流程》所示
1、配料：在配料之前，因先根據所研究體系，計算每種原料稱取的質量。在配料過程中，使用電子稱取原料，精度應控制在 0.001 g 之內。
2、一次球磨：稱取好的原料倒入球磨罐中。原料中加入適當的水和二氧化鋯球，質量比一般為 1：1.2：3。然后將球磨罐放入球磨機內固定。運行球磨機 12 小時。
3、烘干：將球磨罐從球磨機上取出，將混合均勻的漿料倒入己編號號碼的容器放入烘箱內，烘烤時間為 12 小時。
4、預燒：將烘干了的原料依次在研磨缽中研磨碎，放入己編好號的燒杯中并放入燒結爐。設定預燒溫度曲線，讓燒結爐自動運行。燒結速率為 5℃/min，從室內溫度升至預燒溫度保持一定時間（此時間視不同體系而定），然后自然降溫。
5、二次球磨：將摻雜過后的料應用步驟 1 的過程進行。
6、造粒：如步驟 3，先將二次球磨過后的漿料烘干。然后，從烘箱中取出，放入研磨缽研磨成粉末狀，加入 8%的聚乙烯醇成型劑進行造粒。然后在瑪瑙研缽中手工研磨，當研磨至如細沙狀流動性較好時即可。將造粒好的料過 100 目的篩，未過篩的料重復研磨，直至可以過篩。
7、干壓成型：將過完篩的造粒料，裝入磨具中，使用液壓機壓制。在壓力大約為 10M 左右，制成直徑為 13mm，高度約為 5mm 的圓柱。
8、排膠燒結：將壓制好的樣品順序擺放于鋯板上，設置升溫曲線，使爐子自動升溫。從 100℃到 200℃時，升溫速度為 2℃ /min，然后在 200℃保溫 30min 以排出樣品中的水分。然后繼續以 2 ℃ /min 的速率升溫至 500℃，在此溫度下保溫 4h 以排出樣品中的 聚乙烯醇。從 500℃升至預定的燒結溫度，速率和在燒結溫度保溫的時間都要以具體體系而定。保溫過后以剛才升溫的速率降溫至 500 ℃。之后，可以自然降溫。
9、性能測試：在燒結的過程中，由于燒結爐中的溫度不均勻，會使得樣品表面不光滑，需要先對樣品進行表面拋光處理，使其表面光滑平整，以便準確測試。
光通信中的作用
介質濾波器在光通信中也是必不可少的電子器件，例如，利用光纜傳送的光信號必須經過光接收器才能轉換成電子機器所能接受的電信號，首先，光纜傳送的光信號通過光電二極管把光信號變換成電信號；然后，電信號通過2倍增器輸入到時鐘脈沖抽出濾波器，產生出的時鐘脈沖信號與放大后電信號一同進入“1”，“0”判別電路，最后輸出數據信號。這一系列的信號處理過程都是在時鐘抽出.數據輸出電路模塊里實現的。
值得注意的是在光通信里通常都是采用一種叫作不歸零制NRZ（No Return to Zero）編碼傳送方式。在NRZ編碼方式里，用高、低電平分別表示二進制信息的“1”和“0”；當數據信息由“1”變為“0”，或由“0”，變成“1”時，則表示信息的電平將發生翻轉，因此，NRZ也叫作異碼變化不歸零制。在NRZ信號里，相當于數據信號的信息直接編入，但是不包括怎樣用定時方法判別“1”或“0”的同步信號。因此，接收NRZ信號時，需要一種能由輸入的NRZ信號制作出同步信號的時鐘脈沖信號抽取電路。在這一過程中，窄通頻帶的介質濾波器可以大顯身手，它能從NRZ信號中只將同步信號成分抽取出來。一旦有了同步信號，就可以通過選通的方法把己失真的NRZ信號變換成規整的數據信號。
上述的接收方法的光信號接收器，主要是用于長距離傳送的通信主干網；在當今的網絡通信時代，光通信應用需求急速擴大，例如，光纜通信網到家庭FTTH （FiberTo The Home）；因此不難想像，介質濾波器將在今后變成極為重要的電子元器件，在光通信領域也將發揮出更重要的作用。
參考資料 >
交叉耦合介質濾波器的設計 - 中國知網.https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcod.2021-11-04
介質腔體濾波器分析與設計 - 中國知網.中國知網.2021-06-22
多模介質腔體諧振器及濾波器的研究 - 中國知網.https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcod.2021-11-04
介質濾波器在光通信領域的應用 - 中國知網.https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcod.2021-11-04