濾波器技術(shù)4-介質(zhì)濾波器課件

濾波器技術(shù)(4)

FilterTechnology(4)

TE01δ模介質(zhì)濾波器

TE01δModeDRFilter

1.發(fā)展背景Background

由于無(wú)線電通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、更有效、高品質(zhì)的無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)需要高性能的濾波器。介質(zhì)諧振腔體濾波器由于其體積小，損耗小,選擇性高而逐漸廣泛應(yīng)用到各類(lèi)通信基站中,在即將到來(lái)的3G通信領(lǐng)域擁有廣闊的市場(chǎng)前景。它的研究與開(kāi)發(fā)，是今后濾波器發(fā)展的重點(diǎn)之一。2.介質(zhì)諧振腔DRresonantcavity2.1介質(zhì)諧振器的物理組成

介質(zhì)諧振器由高介電常數(shù)、低損耗和低頻率溫度系數(shù)的微波介質(zhì)粉末材料（如：鈦酸鋇，鋯酸鹽，鈦酸鋯錫等）經(jīng)混合高溫?zé)Y(jié)而成，這些介質(zhì)材料通常都具有優(yōu)良的電磁特性。

為了減小介質(zhì)諧振器放入腔體后的損耗，提高介質(zhì)諧振器的Q值，通常選擇支撐柱來(lái)支撐介質(zhì)諧振器。支撐柱通常選用低損耗，介電常數(shù)相對(duì)于諧振器來(lái)說(shuō)很低的介質(zhì)材料，通常我們使用的是Al203.

2.3介質(zhì)諧振器的形狀及電磁場(chǎng)型

Shape&ElectromagneticFieldDistribution

最常用的介質(zhì)諧振器形狀有矩形,圓柱形和圓環(huán)形.其中矩形介質(zhì)諧振器的工作主模為T(mén)E11δ;圓柱形介質(zhì)諧振器的工作主模為T(mén)E01δ模,如下圖所示:

內(nèi)部的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)InnerelectromagneticfieldTE01δ模介質(zhì)諧振器實(shí)物照片

典型尺寸:

腔體直徑/介質(zhì)外徑>1.5倍(太小影響Q值)

外徑/高度=2.5(提高Q值,避開(kāi)TM模)

內(nèi)/外徑比最大可到0.35(在頻域上使基模與高次模分開(kāi),方便安裝)

磁壁MagneticWall電場(chǎng)的法向方向?yàn)榱?磁場(chǎng)的切向方向?yàn)榱?它也能使電磁波產(chǎn)生完全反射,沒(méi)有透射波穿過(guò)磁壁.經(jīng)典的近似磁壁為高介電常數(shù)的介質(zhì)面.

既然電壁所構(gòu)成的空腔可以作為微波諧振器,顯然,由高K材料做成的介質(zhì)諧振器也可以作微波諧振器,所不同是對(duì)于介質(zhì)諧振器而言,電磁能量大部分被禁固在介質(zhì)諧振器內(nèi)部,導(dǎo)致提高Q值的同時(shí)卻給介質(zhì)濾波器的調(diào)試帶來(lái)困難介質(zhì)表面反射電磁波示意圖2.5介質(zhì)諧振器等效電路EquivalentCircuit2.7介質(zhì)諧振器的性能指標(biāo)ElectricalCharacteristicsQ值Qvalue

介質(zhì)諧振器的Q值分為有載Q值(LoadedQ)和無(wú)載Q值(UnloadedQ).無(wú)載Q值是介質(zhì)諧振器的一個(gè)恒定指標(biāo)，它不隨諧振器與外界電路的耦合強(qiáng)弱而改變；有載Q值也是恒量介質(zhì)諧振器性能的一個(gè)指標(biāo)，通常我們?cè)趯?shí)際的測(cè)量過(guò)程中得到的就是它的有載Q值，如下圖所示。這兩個(gè)Q值實(shí)際上是衡量同一個(gè)性能的不同表達(dá)方式，它們之間可以互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

其中

=LoadedQ

LoadedQ值測(cè)量方法1

懸空的耦合環(huán),垂直于電場(chǎng)

諧振頻率Fo和相對(duì)介電常數(shù)

ResonantFreq.&RelativeDielectricConstant

從下面的公式我們可以得出兩個(gè)結(jié)論:

介電常數(shù)一定,體積越大,頻率越低

體積一定,介電常數(shù)越高,頻率越低

公式中體積V的單位為Fo的單位為GHz頻率溫度系數(shù)TemperatureCoefficient

頻率溫度系數(shù)的計(jì)算公式如下:(單位為PPM/℃)介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)VS濾波器的頻率溫度系數(shù)通常介質(zhì)諧振器在成型后會(huì)有一個(gè)固有的頻率溫度系數(shù)，它的測(cè)量由介質(zhì)供應(yīng)商在專(zhuān)門(mén)的不膨鋼結(jié)構(gòu)的夾具中來(lái)完成，它一般不會(huì)生產(chǎn)為0PPM/℃。而我們的鋁材空腔諧振單元在工作頻帶也存在一個(gè)頻率溫度系數(shù),它也不會(huì)為0PPM/℃。濾波器的頻率溫度系數(shù)可以近似由以下公式計(jì)算：

濾波器的頻率溫度系數(shù)≈介質(zhì)的頻率溫度系數(shù)+空腔的頻率溫度系數(shù)

（經(jīng)驗(yàn)公式,有待考證）

在濾波器的制作過(guò)程中，需要適當(dāng)調(diào)整介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)，使它與空腔的頻率溫度系數(shù)一正一負(fù)且大小相等，最終實(shí)現(xiàn)濾波器的頻率溫度系數(shù)接近于零(解決溫漂問(wèn)題).3.2

優(yōu)缺點(diǎn)Advantage&Disadvantage相對(duì)于金屬空腔濾波器而言,介質(zhì)濾波器具有如下優(yōu)缺點(diǎn),

Q值/體積V溫度穩(wěn)定性峰值功率相對(duì)帶寬成本寄生模(諧波)平均功率生產(chǎn)(調(diào)試)介質(zhì)濾波器

3.3相鄰腔之間的耦合AdjacentCoupling腔間的耦合通過(guò)耦合窗口實(shí)現(xiàn)，耦合窗口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮電磁場(chǎng)排列。窗口應(yīng)該開(kāi)在磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方，且要與磁場(chǎng)方向平行,建議開(kāi)口方向如下:

為了保證TM01模遠(yuǎn)離TE01模，窗口的寬度W不能太大,這是由于TM01模的耦合要比TE01模強(qiáng)，且對(duì)頻率的調(diào)節(jié)更敏感.(兩模頻率調(diào)節(jié)方向相反)

兩耦合腔間的磁結(jié)構(gòu)

通過(guò)窗口的切線方向的磁場(chǎng)，看起來(lái)是不連續(xù)的，因?yàn)楣ぷ髂Ｊ?TE01)的磁場(chǎng)通過(guò)窗口時(shí)改變了符號(hào)。但是部分磁場(chǎng)(比如高次模產(chǎn)生的)會(huì)占據(jù)耦合窗口周?chē)目臻g，使得整個(gè)切線方向的磁場(chǎng)能連續(xù)的通過(guò)邊界。工作模式(TE01)在兩相鄰腔之間的磁場(chǎng)方向?qū)τ跊Q定非相鄰腔之間的耦合符號(hào)非常重要.

耦合方式2(從側(cè)面加螺桿,隨著螺桿的深入耦合加強(qiáng),適合一字型排腔場(chǎng)合)3.4非相鄰腔之間的(交叉)耦合NonadjacentCoupling

交叉耦合可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)提高濾波器性能,比如準(zhǔn)橢圓函數(shù),時(shí)延和非對(duì)稱(chēng)響應(yīng).以下為三個(gè)一組和四個(gè)一組的交叉結(jié)構(gòu)及他們的等效電路.交叉耦合分析

在上圖中,磁耦合為一個(gè)正耦合并用一個(gè)電感表示;而對(duì)于不相鄰但符號(hào)相同的耦合,我們看作一個(gè)負(fù)耦合,并用一個(gè)電容表示.我們可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)三個(gè)一組和四個(gè)一組平面的窗口結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的交叉耦合符號(hào)不一樣,只是因?yàn)橹虚g多了一個(gè)金屬片.這點(diǎn)與其它的腔體濾波器比如波導(dǎo)和梳狀線不一樣,因?yàn)楣ぷ髂Ｊ降碾姶欧植疾灰粯?上述等效電路可以分解為三個(gè)CT結(jié)構(gòu):根據(jù)以往的相位分析法可知,每個(gè)CT結(jié)構(gòu)將在通帶左端產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn).125234245傳輸函數(shù)曲線3.5輸入輸出耦合(抽頭)Input/Output

Coupling電耦合

鐮刀形狀的接地環(huán),調(diào)整環(huán)與介質(zhì)諧振器的間距可以調(diào)整耦合強(qiáng)弱磁耦合一端接地的金屬柱,與介質(zhì)諧振器垂直放置.一般在金屬柱上焊接抽頭,調(diào)整抽頭對(duì)地高或金屬柱與介質(zhì)諧振器的間距可以調(diào)整耦合強(qiáng)弱.(適合于耦合較弱場(chǎng)合)金屬空腔耦合

輸入輸出為一個(gè)與介質(zhì)諧振器垂直放置的金屬空腔(適合于耦合較強(qiáng)場(chǎng)合,諧波改善的同時(shí)Q下降)3.6外部Q和抽頭時(shí)延ExternalQ&Delay

在實(shí)際的濾波器調(diào)試中,如果能將抽頭的外部Q值(或時(shí)延和相位)調(diào)到理論理,通帶就可以很容易地升起來(lái)了,也不需要反復(fù)地”cutandtry”.特別是調(diào)試介質(zhì)濾波器的時(shí)候.

外部Q值與抽頭反射時(shí)延關(guān)系:

bw為耦合帶寬,t為抽頭反射時(shí)延

外部Q值與耦合矩陣值的關(guān)系

BW為濾波器實(shí)際帶寬，Ms1為外部與第一腔的耦合矩陣值。由以上兩公式可以推算出反射時(shí)延與耦合矩陣值的關(guān)系3.7平均功率容量AveragePowerCapacity

介質(zhì)濾波器的平均功率容量不高,如果強(qiáng)行加載高平均功率會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:3.7.1諧振器炸裂主要是介質(zhì)諧振器供應(yīng)商在諧振器技術(shù)上的體現(xiàn)。介質(zhì)供應(yīng)商，應(yīng)該制造可靠性非常高的諧振器，選擇適當(dāng)?shù)恼衬z，適當(dāng)?shù)闹沃O(shè)計(jì)，優(yōu)良的制造、粘結(jié)工藝。

3.7.2濾波器通帶偏移(與高溫測(cè)試偏移不同)解決辦法:A.提高諧振器Q值B.在滿足高低溫的條件下,盡量使介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)(絕對(duì)值)小.C.提高支撐柱與粘膠的熱傳導(dǎo)率,在滿足Q的前提下減短支撐柱的高度

D.改變?yōu)V波器內(nèi)部的交叉耦合以下兩種方案中,采用對(duì)稱(chēng)交叉耦合的