介質(zhì)濾波器技術(shù)總結(jié)

1、TE01 6模式介質(zhì)諧振濾波器技術(shù)總結(jié)一、前言由于通信技術(shù)的發(fā)展，低費用、更有效、更好品質(zhì)的無線通信系統(tǒng)而需要高性能，小體積和低損耗濾波器。所以介質(zhì)濾波器，腔體介質(zhì)諧振濾波器的 研究與開發(fā)，是今后濾波器發(fā)展的重點所在。介質(zhì)諧振器的工作原理電磁壁理論理想的導(dǎo)體壁（電磁率為零）在電磁理論中稱為電壁，在電壁上，電場的 切向分量為零，磁場的法向分量為零。電磁波入射到電壁上，將會完全反射回來， 沒有透射波穿透電壁。因此，用電壁圍成一個封閉腔，一旦有適當(dāng)頻率的電磁波 饋入，波將在腔的電壁上來回反射，在腔內(nèi)形成電磁駐波，發(fā)生電磁諧振。此時 即使外部停止向腔內(nèi)饋送能量，已建立起來的電磁振蕩仍將無衰減維持下去。

2、 可 見電壁空腔是一種諧振器，電磁能量按一定頻率在其中振蕩。 當(dāng)然，非理想導(dǎo)體 壁構(gòu)成的空腔，也具有電壁空腔的類似特性，只不過外部停止饋送能量后，起內(nèi) 部已建立起來的電磁振蕩，不會長期地維持下去，將隨時間而逐漸衰減，終于消 逝，成為阻尼振蕩。諧振器中電磁振蕩維持的時間的長短（時間常數(shù)）是其 Q 值高低的一種度量。高介電常數(shù)的介質(zhì)的界面能使電磁波發(fā)生完全的或者近似完全的反射。 當(dāng) 然，這兩類的界面性質(zhì)不同，其對電磁波的反射特性也不盡相同。 電磁波在導(dǎo)體 壁上的電場切向分量為零，故入射波與反射波的電場切向分量相消， 僅有法向分 量，因為合成場的電力線垂直導(dǎo)體表面， 亦即垂直電壁；而在高介電常數(shù)的介

3、質(zhì)界面上，磁場的切向分量近似為零，入射波與反射波的磁場切向分量近似相消, 合成場的磁力線近似垂直于介質(zhì)界面。在電磁場理論中，垂直于磁力線的壁稱為 磁壁，故高介電常數(shù)的介質(zhì)表面可以近似看為磁壁，只有時，才是真正的磁壁。在磁壁上，磁場切向分量為零，電場法向分量為零，它與電壁對偶。既然電壁所 構(gòu)成的空腔可以作為微波諧振器，顯然，磁壁周圍的介質(zhì)塊可以近似是個磁諧振 器，電磁能量在介質(zhì)塊內(nèi)振蕩，不會穿過磁壁泄露到空氣里。介質(zhì)波導(dǎo)理論若將一個介質(zhì)棒變成一個環(huán)，令其首尾相連接，并使連接處電磁波有相同 相位，該電磁波就能在環(huán)內(nèi)循環(huán)傳輸，成為一個行波環(huán)。如果介質(zhì)損耗非常小， 循環(huán)時間就很長，于是電磁波被“禁錮”

4、在介質(zhì)環(huán)內(nèi)，成為一個環(huán)形介質(zhì)諧振器。 介質(zhì)環(huán)的最小平均周長，應(yīng)該是被導(dǎo)波的一個波導(dǎo)波長。上述的諧振條件并未對 介質(zhì)環(huán)的形狀加以任何限制，所以環(huán)可以是圓的，方的或者其他任意形狀。止匕外， 環(huán)的內(nèi)徑大小對諧振來說也不是實質(zhì)性的， 內(nèi)徑縮小至零，照樣能維持諧振，儲 存電磁能量。最常用的介質(zhì)諧振器的形狀有矩形，圓柱形和圓環(huán)形三種，前兩種用的更 普遍。矩形介質(zhì)諧振器的工作模式主模是 TE11d模，圓柱形的有TE01d模。圖 中就是兩種諧振器的振蕩模式。介質(zhì)諧振器的材料微波介質(zhì)材料是指在微波頻率下使用的介質(zhì)材料。它具有介電損耗小、頻率溫度參數(shù)接近零的特性。微波介質(zhì)材料對原材料的要求比較高，要獲得 高質(zhì)量的

5、材料須嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝操作。微波介質(zhì)器件是指應(yīng)用微波介質(zhì)材 料制成的具有某種功能的器件。常見的是介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)無 線塊。介質(zhì)濾波器：是由多個介質(zhì)諧振器通過耦合構(gòu)成的。介質(zhì)諧振器的幾種主要結(jié)構(gòu)及尺寸模式形狀尺寸適用頻率(1)介質(zhì)諧振器D C/fQL/D 0.4L、D單位為mmC 3*10 . 4 TE01諧振單腔的尺寸設(shè)計：諧振單腔可以是矩形腔體，也可是圓柱腔體，為了保證不使諧振器Qu下 降很多，和引入TM模諧振單腔的尺寸最小處大約為諧振器直徑的 1.5倍，高度mm/sf :諧振頻率，單位為HzSHF頻率3GHz(2)同軸諧振腔,強(qiáng)I 4小L C f意義、單位同一UHF頻率2GHz

6、(3)帶狀 電路諧振器ICmm/s2f)HzV wLCmm/s4fHz 匚r (0.6 : 0.9) rUHF頻率SHF頻率約要是諧振器厚度的三倍1.5微波介質(zhì)腔的場型介質(zhì)諧振器可以激勵三種振蕩模式：TE TM、HE型振蕩模式，本文中主要介紹TE016。其電場主要在集中于一之黑二之二 r T b k F E - F 卷0器匚然著匕M二 l- A 4 - / * ，* f E *L.，E制肛的1 3.411LK-SI1 I. LH.THD Mi FEuFJ. m.H.0e&3e-eai i w如 /.孫但工2.S5Z5e3O1 I.1-1301izmsj.i2Tsia. g1.一aa&二、腔體介

7、質(zhì)諧振濾波器腔體介質(zhì)諧振濾波器，是將介質(zhì)諧振器放置于截止金屬波導(dǎo)中去， 濾波器的 中頻率由介質(zhì)諧振器的諧振頻率所決定，耦合帶寬可以通過調(diào)節(jié)諧振器之間的距 離或者兩諧振器之間的耦合窗口的大小來實現(xiàn)。主要特性及應(yīng)用體積和重量是金屬空腔的1%左右。其他優(yōu)點:1、可以實現(xiàn)器件的高穩(wěn)定，高可靠，諧振頻率溫度系數(shù)可達(dá)ppm級2、可以實現(xiàn)諧振器的低損耗，高品質(zhì)因數(shù)，使損耗角正切很小。3、陶瓷材料加工簡便，機(jī)械性能良好4、介質(zhì)濾波器有很高的脈沖功率容量。缺點：1、批量生產(chǎn)工藝控制要非常嚴(yán)格2、因為諧振器導(dǎo)熱能力差，所以平均功率容量小。3、因為絕大部分電場被束縛在介質(zhì)諧振器內(nèi)部，耦合螺桿調(diào)節(jié)范圍很小。材料與諧振

8、器性能關(guān)系微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)主要取決于材料結(jié)構(gòu)中的晶相和制備工藝，與使用頻率基本無關(guān)。從陶瓷工程學(xué)的角度看，除了從組成上考慮微觀的晶相類型及組 合外，在工藝上使晶粒生長充分，結(jié)構(gòu)致密，也是提高介電常數(shù)的途徑。諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q受介質(zhì)損耗(tg d).歐姆損耗(tg e).輻射損耗(tg )這三個因素的影響,Q主要由介質(zhì)損耗決定。對于微波介質(zhì)材料，歐姆損耗和輻射損耗可以忽略，Q約與戒指損耗成反比關(guān)系，與 二也成反比關(guān)系 Q Qd 0/tg dg/7 0/tg d (tg d)1此外品質(zhì)因數(shù) Q與微波頻率f有 關(guān)：Q ( )/ ( ) r2/ g r2/2 fg式中,() 有功介電常數(shù)；()無

9、功介電常數(shù)；材料固有角頻率； 材料衰減常數(shù)；微波頻率為f時的角頻率。不同的測試頻率有不同的Q值。在比較同一系列材料的 Q值時，必須換算成同一個頻率才有可比性。據(jù)報道采用靜壓成型與熱壓燒結(jié)提高了材料的致密性，使材料的微波 介質(zhì)損耗得以降低，介電常數(shù),上升；使用微細(xì)瓷粉，提高了材料組成與結(jié) 構(gòu)的均勻性，改善了材料的 Q值和頻率溫度系數(shù)；使用微波快速閃燒技術(shù) 使材料中易揮發(fā)成分得到了控制，提高了材料組組成的一致性；在d氮氣氣 氛中退火處理使材料提高了 Q值。三、腔體介質(zhì)諧振濾波器設(shè)計步驟1、根據(jù)規(guī)范書要求，確定濾波器節(jié)數(shù)以及所需 Qu、耦合系數(shù)。2、根據(jù)濾波器外形，以及濾波器節(jié)數(shù)來確定單個諧振腔尺寸

10、。3、根據(jù)介質(zhì)金屬波導(dǎo)尺寸，來選擇適當(dāng)介電常數(shù)的材料，根據(jù)所選介質(zhì)的介電常數(shù),求介質(zhì)諧振器的尺寸可以根據(jù)：0 C/ foL/D 0.4tan上 22 r 0.586 o0.586 1D2 o兩端諧振器由于終端耦合結(jié)構(gòu)影響要使諧振器的諧振頻率上升，故將兩端諧振器 厚度增加0.01英寸作為補(bǔ)償般截止圓波導(dǎo)直徑是介質(zhì)半徑的 2倍 3、由外部q值設(shè)計出輸入和輸出的耦合結(jié)構(gòu)。4、根據(jù)計算出的耦合系數(shù)通過仿真，確認(rèn)各腔之間耦合窗口的大小。5、安裝調(diào)試。 D2四、TE01s模式介質(zhì)諧振濾波器內(nèi)部的耦合形式。饋電處耦合饋電處的耦合主要是用來滿足濾波器設(shè)計外部 Q值的要求，根據(jù)饋電點處的耦合帶寬KEi -BW-

11、, KE。 BW ,轉(zhuǎn)換為饋電點處的反射時延的g gign g。i關(guān)系Ti 淳,Tn 淳，可以設(shè)計某種耦合結(jié)構(gòu)來滿足饋電點處的反射 KE1KEn時延要求。耦合方式基本上是一種探針形式，可以做成圓弧狀圍繞在 諧振器邊上，這種探針的長度、探針與諧振器之間的間距是影響到耦 合強(qiáng)度的重要因素。級問耦合腔間的耦合是通過耦合窗口實現(xiàn)的，耦合窗口結(jié)構(gòu)的設(shè)計要考慮電磁場陣 列。窗口應(yīng)該開在磁場最強(qiáng)的地方， 且要與磁場方向保持一致。為了保證耦合的 TM01模式的頻率遠(yuǎn)離TE01模式的耦合頻率，窗口的寬度不能太大。TM01模式的 藕荷要比TE01奠式的強(qiáng)，并且窗口寬度的方向正好是磁場排列的方向。 一對相對 稱的耦

12、合腔之間有兩個本征模。一個相對應(yīng)的在他們之間插入了一個良電壁，另一個是在他們之間插入良磁壁而得到的。實際的場離散是兩個本征模式的線形重 疊。對于磁耦合而言，因為在耦合區(qū)域的周圍主要的擾亂能量是磁場所以磁壁的模式場在中間區(qū)域。切線方向穿過窗口的磁場，看起來是不連續(xù)的，因為工作模式的磁場改變了符號穿過耦合窗口。但是局部的場強(qiáng)將會支配耦合窗口周圍的局部的場強(qiáng)，使得整個切線方向的場強(qiáng)，連續(xù)的通過邊界。相應(yīng)的穿過相臨腔的工作模式的磁場方向?qū)τ诜窍噜徢坏鸟詈戏柕拇_定是非常重要的.交叉耦合交叉耦合可以用來實現(xiàn)濾波器性能的改進(jìn)，例如準(zhǔn)橢圓函數(shù)，恒定時延和非對稱響應(yīng).四組和三節(jié)構(gòu)成的交叉耦合都被認(rèn)為是構(gòu)成對稱

13、和非對稱傳輸零點的基本函數(shù)相應(yīng)的TE01模式腔體和他們等價的耦合諧振模式如下圖.(h)c)id)Fi & 工 I a) A LiLJdrup或鼠e ri on 砧, ill i pu* i【it e 5 cuupLinf bcl.wvtjn caviiits 1 口nd X (J) A b i-action wilh pjsithE cross mupling beii*wi cavities I and 5.磁耦合被認(rèn)為是正的耦合可以由電感形式來表示.非相鄰的耦合，它與相鄰耦 合符號相反，可以用認(rèn)為是一種負(fù)的耦合，可以用電容來標(biāo)注.標(biāo)注交叉耦合的符 號是非常有意義的，在平面上四組和三節(jié)里通過

14、窗口來實現(xiàn)交叉耦合是不一樣的 通過探針實現(xiàn)也是一樣的道理.與其他形式的腔體，例如波導(dǎo)和同軸相比，它的性 能不是很真實，因為工作模式的場分布也是不相同的.五、TE01 S模式介質(zhì)諧振濾波器高低溫解決方案。濾波器高低溫問題要求介質(zhì)濾波器因為其主要的電場都集中在諧振器內(nèi)部， 所以諧振器與諧振器之間，以及諧振器與輸入輸出端口之間的都不能夠達(dá)到非常強(qiáng)的耦合，所以介質(zhì) 濾波器只適合用來做窄帶相對帶寬12%左右的濾波器。窄帶濾波器，帶寬窄，帶外抑制要求嚴(yán)格，所以要求濾波器在高低溫環(huán)境 下保持良好的溫度穩(wěn)定性，才能夠滿足客戶要求。改善方法帶通濾波器可近似看為是由幾個單獨的相同體積諧振腔，通過耦合窗口耦合在一起

15、。所以要完成一個溫度穩(wěn)定性良好的介質(zhì)濾波器，只需要調(diào)整介質(zhì)材料 配方、工藝，而改變介質(zhì)諧振器的溫度系數(shù)，然后在金屬單腔內(nèi)進(jìn)行測試得到理 想的溫度曲線。測試夾具采用和濾波器相同材料的金屬制成單腔，并在兩端任意位置打孔安裝測試探針，探針采用普通SMA接插件前端焊接少許柔韌性好的金屬絲構(gòu)成，將諧振 器穩(wěn)固安裝于腔體中央，當(dāng)金屬探頭與諧振器軸向位置垂直時，可以用來測試TE模式，當(dāng)金屬探頭與金屬諧振器軸向平行時，可以用來測試 TM模式。六、TE01s模式介質(zhì)諧振濾波器平均功率解決方案。6. 1平均功率時出現(xiàn)的問題平均功率容量又稱為等幅波功率容量，平均功率容量主要會導(dǎo)致諧振器發(fā) 熱。介質(zhì)濾波器中，諧振器材

16、料主要由金屬氧化物陶瓷構(gòu)成，具下的支撐柱材料 也是三氧化二鋁陶瓷，諧振器與支撐柱之間是由膠沾結(jié)在一起的。 陶瓷材料相比 金屬材料而言，不具備良好的導(dǎo)熱性能和良好的延展性。 當(dāng)信號源發(fā)生較大功率 的等幅波功率時，由于濾波器的絕大部分能量是聚集在諧振器內(nèi)部，所以諧振器急劇變熱，如果諧振器熱量不能很快到通過粘膠、支撐柱、傳導(dǎo)到金屬腔壁上，那么會產(chǎn)生兩個非常嚴(yán)重的問題:1、諧振器炸裂如果諧振器成型燒結(jié)工藝不好，或者諧振器非常脆，諧振器、粘膠、和支撐柱材料熱膨脹系數(shù)不能良好匹配的話， 諧振器在急劇發(fā)熱膨脹，但不能把熱量 有效傳導(dǎo)出去的情況下，諧振器有可能炸裂，濾波器失效。解決之道：主要是介質(zhì)諧振器供應(yīng)商

17、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，優(yōu)良的制造、粘 結(jié)工藝。2、 濾波器整體通帶頻率偏移金屬腔體在高溫情況下，會膨脹內(nèi)部容積變大，如果諧振器本身頻率不變化的話，那么單腔的諧振頻率會相低漂移，為了解決高低溫下單個諧振腔的諧振 頻率漂移盡量少，諧振器的溫度系數(shù)要做成正溫度系數(shù)， 并且屏蔽腔越小，則需 要溫度系數(shù)越大。當(dāng)平均功率施加時，諧振器發(fā)熱，并且熱量不能盡快的傳導(dǎo)到金屬腔體上， 那么腔體不會發(fā)生膨脹，而諧振器單方面的發(fā)熱，由于諧振器的正溫度系數(shù)，諧 振的頻率向高漂移，使得濾波器的帶外抑制不能夠滿足指標(biāo)要求， 通帶內(nèi)的插入 損耗，駐

18、波比變大，濾波器功能失效。解決之道：濾波器發(fā)熱主要是因為濾波器內(nèi)部的歐姆損耗引起的，要減小濾波器發(fā)熱，最基本的是提高濾波器的內(nèi)部的 Qu,提高單個諧振器的無載Q能夠有效的減 小濾波器插入損耗，從而諧振器不會急劇變熱，有利于濾波器內(nèi)部盡快熱平衡。在保證濾波器溫度穩(wěn)定性的條件下，盡量的減小諧振器的溫度系數(shù)使得 諧振器發(fā)熱時頻率不至于漂移太多，在諧振頻率發(fā)生漂移的情況下濾波器也能夠 滿足規(guī)范書的要求。單個諧振器的設(shè)計，諧振器是通過粘膠，支撐柱來安裝到金屬腔體上的，為了濾波器能夠承受更大的平均功率， 就要求諧振器材料，粘膠，以及支撐柱都 有較高的導(dǎo)熱率。另外支撐柱的設(shè)計也是很關(guān)鍵的，支撐柱與諧振器粘結(jié)

19、的地方 應(yīng)該是諧振器發(fā)熱最嚴(yán)重的地方，一般是諧振器直徑的三分之二的地方， 支撐柱 的高度不能過高，使得導(dǎo)熱路徑過長，也不能太低，使得諧振器離金屬腔體太近 使得Qu下降。如下圖：改變?yōu)V波器內(nèi)部的耦合結(jié)構(gòu)。由于濾波器輸入端口處的諧振器承受功率較大，如果濾波器內(nèi)部交叉耦合的處于輸入端口時， 傳輸零點很可能隨著諧振器的發(fā)熱發(fā)生漂移導(dǎo)致帶外抑制不合格，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)使得交叉耦合遠(yuǎn)離 輸入端六個腔加兩個傳輸零點的排腔方式可以通過改變排腔方式以及傳輸零點的實現(xiàn)方式來改善平均功率的承受能力，上圖中的兩個跨奇數(shù)節(jié)的交叉耦合何以由一個跨偶數(shù)節(jié) 的交叉耦合來實現(xiàn)兩個帶外對稱的傳輸零點。此種交叉耦合方式使得傳輸零點的能量由兩個腔3、4來承受，相對前種排腔方式而言功率容量更大，但是這種交叉耦合方式由于濾波器的色散效應(yīng)很難將傳輸 零點調(diào)對稱。七、TE01s模式介質(zhì)諧振濾波器諧波問題。TE01模式介質(zhì)諧振器的諧波出現(xiàn)在工作頻率的 1.4倍附近，通信系統(tǒng)一般 都對2