濾波器技術(shù)(4)-介質(zhì)濾波器

1、濾波器技術(shù)濾波器技術(shù)(4)Filter Technology(4) TE01模介質(zhì)濾波器 TE01 Mode DR Filter 1.發(fā)展背景發(fā)展背景 Background 由于無線電通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、更有效、高品質(zhì)的無線通信收發(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用到各類通信基站中, 在即將到來的3G通信領(lǐng)域擁有廣闊的市場前景。它的研究與開發(fā)，是今后濾波器發(fā)展的重點之一。2.介質(zhì)諧振腔介質(zhì)諧振腔 DR resonant cavity2.1 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，

2、鋯酸鹽，鈦酸鋯錫等）經(jīng)混合高溫燒結(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)相對于諧振器來說很低的介質(zhì)材料，通常我們使用的是Al203 . 2.2 介質(zhì)諧振腔的結(jié)構(gòu)Tuning Element: metal or dielectricSupport: AluminaEnclosure: Aluminum cavityAdhesive: Proprietary2.3 介質(zhì)諧振器的形狀及電磁場型 Shape & Electromagnetic Field Distri

3、bution 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TE11;圓柱形介質(zhì)諧振器的工作主模為TE01模,如下圖所示: 內(nèi)部的電磁場結(jié)構(gòu) Inner electromagnetic fieldTE01模介質(zhì)諧振器實物照片 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, 方便安裝 ) 2.4 介質(zhì)諧振器的工作原理 Principium 電壁 Electric Wall 電場的切向方向為零,磁場的法向方向為零.它能使電磁波產(chǎn)生完全反射,沒有透射波穿過電壁

4、. 經(jīng)典的電壁為理想導體壁(電阻率為零). 通過導體壁圍成的一個金屬空腔,一旦有適當頻率的電磁波入射,波將在壁上全反射,并在腔內(nèi)形成電磁駐波,發(fā)生電磁諧振. 非理想導體壁形成的金屬空腔 金屬空腔濾波器 磁壁 Magnetic Wall 電場的法向方向為零,磁場的切向方向為零.它也能使電磁波產(chǎn)生完全反射,沒有透射波穿過磁壁. 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,導致提高Q值的同時卻給介質(zhì)濾波器的調(diào)試帶來困難介質(zhì)表面反射電磁波示意圖2.5

5、介質(zhì)諧振器等效電路 Equivalent Circuit2.6 調(diào)節(jié)器 Tuning element 如前所述,介質(zhì)諧振腔的調(diào)節(jié)器可以為金屬,也可以為介質(zhì).通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器與介質(zhì)諧振器的間距,可以影響介質(zhì)諧振器外部的電磁場結(jié)構(gòu)進而調(diào)整頻率,最終實現(xiàn)特定的濾波器傳輸特性.2.7 介質(zhì)諧振器的性能指標 Electrical Characteristics Q值 Q value 介質(zhì)諧振器的Q值分為有載Q值(Loaded Q)和無載Q值(Unloaded Q). 無載Q值是介質(zhì)諧振器的一個恒定指標，它不隨諧振器與外界電路的耦合強弱而改變；有載Q值也是恒量介質(zhì)諧振器性能的一個指標，通常我們在實際的測量過

6、程中得到的就是它的有載Q值，如下圖所示。這兩個Q值實際上是衡量同一個性能的不同表達方式，它們之間可以互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下： 其中 =Loaded Q Loaded Q值測量方法1懸空的耦合環(huán),垂直于電場Loaded Q值測量方法2接地的耦合環(huán),垂直于磁場諧振頻率Fo和相對介電常數(shù)Resonant Freq.& Relative Dielectric Constant從下面的公式我們可以得出兩個結(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) Temperature Coefficient 頻率溫度系數(shù)的計算公式

7、如下: (單位為PPM/)介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)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)濾波器的頻率溫度系數(shù) 通常介質(zhì)諧振器在成型后會有一個固有的頻率溫度系數(shù)，它的測量由介質(zhì)供應商在專門的不膨鋼結(jié)構(gòu)的夾具中來完成，它一般不會生產(chǎn)為0 PPM/ 。 而我們的鋁材空腔諧振單元在工作頻帶也存在一個頻率溫度系數(shù),它也不會為 0 PPM/。 濾波器的頻率溫度系數(shù)可以近似由以下公式計算： 濾波器的頻率溫度系數(shù)濾波器的頻率溫度系數(shù)介質(zhì)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)空腔的頻率溫度系數(shù) （經(jīng)驗公式,有待考證） 在濾波器的制作過程中，需要適當調(diào)整介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)，使它與

8、空腔的頻率溫度系數(shù)一正一負且大小相等，最終實現(xiàn)濾波器的頻率溫度系數(shù)接近于零(解決溫漂問題).3 介質(zhì)濾波器介質(zhì)濾波器 DR filter 3.1 構(gòu)成 Structure 將若干個介質(zhì)諧振單元通過合理的級間耦合(相鄰&非相鄰)和輸入輸出耦合構(gòu)成的能完成濾波功能的二端口網(wǎng)絡. 3.2 優(yōu)缺點Advantage & Disadvantage 相對于金屬空腔濾波器而言,介質(zhì)濾波器具有如下優(yōu)缺點,Q值/體 積V溫度穩(wěn)定性峰值功率相對帶寬成本寄生模(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 Adjacent Coupling 腔間的耦合通過耦合窗口實現(xiàn)，耦合窗口結(jié)構(gòu)

9、的設計要考慮電磁場排列。窗口應該開在磁場最強的地方，且要與磁場方向平行,建議開口方向如下: 為了保證 TM01模遠離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，且對頻率的調(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) 通過窗口的切線方向的磁場，看起來是不連續(xù)的，因為工作模式(TE01)的磁場通過窗口時改變了符號。但是部分磁場(比如高次模產(chǎn)生的)會占據(jù)耦合窗口周圍的空間，使得整個切線方向的磁場能連續(xù)的通過邊界。 工作模式(TE01)在兩相鄰腔之間的磁場方向?qū)τ跊Q定非相鄰腔之間的耦合符號非常重要.耦合方式1(從蓋板上加螺桿,隨著螺桿的深入耦合將減小,適合排

10、腔復雜場合) 耦合方式2(從側(cè)面加螺桿,隨著螺桿的深入耦合加強,適合一字型 排腔場合)3.4 非相鄰腔之間的(交叉)耦合Nonadjacent Coupling 交叉耦合可以用來實現(xiàn)提高濾波器性能,比如準橢圓函數(shù),時延和非對稱響應.以下為三個一組和四個一組的交叉結(jié)構(gòu)及他們的等效電路.交叉耦合分析 在上圖中,磁耦合為一個正耦合并用一個電感表示;而對于不相鄰但符號相同的耦合,我們看作一個負耦合,并用一個電容表示. 我們可以發(fā)現(xiàn),通過三個一組和四個一組平面的窗口結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的交叉耦合符號不一樣,只是因為中間多了一個金屬片. 這點與其它的腔體濾波器比如波導和梳狀線不一樣,因為工作模式的電磁分布不一樣.五腔

11、三飛以下為一個典型的介質(zhì)濾波器五腔三飛結(jié)構(gòu),等效電路如右圖12345上述等效電路可以分解為三個CT結(jié)構(gòu): 根據(jù)以往的相位分析法可知,每個CT結(jié)構(gòu)將在通帶左端產(chǎn)生一個零點.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)整抽頭對地高或金屬柱與介質(zhì)諧振器的間距可以調(diào)整耦合強弱.(適合于耦合較弱場合)金屬空腔耦合 輸入輸出為一個與介質(zhì)諧振器垂直放置的金屬空腔(適合于耦合較強場合,諧波改善的同時Q下降)3

12、.6 外部Q和抽頭時延 External Q & Delay 在實際的濾波器調(diào)試中,如果能將抽頭的外部Q值(或時延和 相位)調(diào)到理論理, 通帶就可以很容易地升起來了,也不需要反復地” cut and try”. 特別是調(diào)試介質(zhì)濾波器的時候. 外部Q值與抽頭反射時延關(guān)系: bw為耦合帶寬,t為抽頭反射時延(636.6/ )fofoQebwt外部Q值與耦合矩陣值的關(guān)系BW為濾波器實際帶寬，Ms1為外部與第一腔的耦合矩陣值。21211/(*),/1/(*),/SLnQeWMWBWfoQenWMWBWfo由以上兩公式可以推算出反射時延與耦合矩陣值的關(guān)系2112ln636.6/(*)636.6/(*)SntBWMtBWM3.7 平均功率容量 Average Power Capacity 介質(zhì)濾波器的平均功率容量不高,如果強行加載高平均功率會帶來兩個問題:3.7.1 諧振器炸裂 主要是介質(zhì)諧振器供應商在諧振器技術(shù)上的體現(xiàn)。介質(zhì)供應商，應該制造可靠性非常高的諧振器，選擇適當?shù)恼衬z，適當?shù)闹沃O計，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)(絕對值)小.C.提高支撐柱與粘膠的熱傳導率,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