濾波器技術(shù)4介質(zhì)濾波器

濾波器技術(shù)4介質(zhì)濾波器第1頁/共41頁1.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(yīng)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(diǎn)之一。第2頁/共41頁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.

第3頁/共41頁2.2介質(zhì)諧振腔的結(jié)構(gòu)

TuningElement:metalordielectric

Support:Alumina

Enclosure:Aluminumcavity

Adhesive:Proprietary第4頁/共41頁2.3介質(zhì)諧振器的形狀及電磁場型

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TE11δ;圓柱形介質(zhì)諧振器的工作主模為TE01δ模,如下圖所示:

第5頁/共41頁內(nèi)部的電磁場結(jié)構(gòu)Innerelectromagneticfield第6頁/共41頁TE01δ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)

第7頁/共41頁2.4介質(zhì)諧振器的工作原理Principium

電壁ElectricWall

電場的切向方向?yàn)榱?磁場的法向方向?yàn)榱?它能使電磁波產(chǎn)生完全反射,沒有透射波穿過電壁.

經(jīng)典的電壁為理想導(dǎo)體壁(電阻率為零).

通過導(dǎo)體壁圍成的一個金屬空腔,一旦有適當(dāng)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(dǎo)體壁形成的金屬空腔→金屬空腔濾波器

第8頁/共41頁磁壁MagneticWall

電場的法向方向?yàn)榱?磁場的切向方向?yàn)榱?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(dǎo)致提高Q值的同時卻給介質(zhì)濾波器的調(diào)試帶來困難第9頁/共41頁介質(zhì)表面反射電磁波示意圖第10頁/共41頁2.5介質(zhì)諧振器等效電路EquivalentCircuit第11頁/共41頁2.6調(diào)節(jié)器Tuningelement

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(jìn)而調(diào)整頻率,最終實(shí)現(xiàn)特定的濾波器傳輸特性.第12頁/共41頁2.7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)和無載Q值(UnloadedQ).

無載Q值是介質(zhì)諧振器的一個恒定指標(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)諧振器性能的一個指標(biāo)，通常我們在實(shí)際的測量過程中得到的就是它的有載Q值，如下圖所示。這兩個Q值實(shí)際上是衡量同一個性能的不同表達(dá)方式，它們之間可以互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：第13頁/共41頁

其中

=LoadedQ

第14頁/共41頁LoadedQ值測量方法1

懸空的耦合環(huán),垂直于電場第15頁/共41頁LoadedQ值測量方法2

接地的耦合環(huán),垂直于磁場第16頁/共41頁

諧振頻率Fo和相對介電常數(shù)

ResonantFreq.&RelativeDielectricConstant

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第17頁/共41頁頻率溫度系數(shù)TemperatureCoefficient

頻率溫度系數(shù)的計(jì)算公式如下:(單位為PPM/℃)第18頁/共41頁介質(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)諧振器在成型后會有一個固有的頻率溫度系數(shù)，它的測量由介質(zhì)供應(yīng)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0PPM/℃。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(解決溫漂問題).第19頁/共41頁3介質(zhì)濾波器DRfilter3.1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(luò).

第20頁/共41頁3.2

優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn),

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

第21頁/共41頁3.3相鄰腔之間的耦合AdjacentCoupling

腔間的耦合通過耦合窗口實(shí)現(xiàn)，耦合窗口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮電磁場排列。窗口應(yīng)該開在磁場最強(qiáng)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(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)，且對頻率的調(diào)節(jié)更敏感.(兩模頻率調(diào)節(jié)方向相反)

第22頁/共41頁兩耦合腔間的磁結(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?yàn)楣ぷ髂Ｊ?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.第23頁/共41頁耦合方式1(從蓋板上加螺桿,隨著螺桿的深入耦合將減小,適合排腔復(fù)雜場合)第24頁/共41頁

耦合方式2(從側(cè)面加螺桿,隨著螺桿的深入耦合加強(qiáng),適合一字型排腔場合)第25頁/共41頁3.4非相鄰腔之間的(交叉)耦合NonadjacentCoupling

交叉耦合可以用來實(shí)現(xiàn)提高濾波器性能,比如準(zhǔn)橢圓函數(shù),時延和非對稱響應(yīng).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.第26頁/共41頁交叉耦合分析

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(fù)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(shí)現(xiàn)的交叉耦合符號不一樣,只是因?yàn)橹虚g多了一個金屬片.

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?第27頁/共41頁五腔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第28頁/共41頁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(diǎn).125234245第29頁/共41頁傳輸函數(shù)曲線第30頁/共41頁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)弱第31頁/共41頁磁耦合

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(qiáng)弱.(適合于耦合較弱場合)第32頁/共41頁金屬空腔耦合

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(qiáng)場合,諧波改善的同時Q下降)第33頁/共41頁3.6外部Q和抽頭時延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(fù)地”cutandtry”.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為抽頭反射時延第34頁/共41頁

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。第35頁/共41頁由以上兩公式可以推算出反射時延與耦合矩陣值的關(guān)系第36頁/共41頁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(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。

第37頁/共41頁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(dǎo)率,在滿足Q的前提下減短支撐柱的高度

第38頁/共41頁D.改變?yōu)V波器內(nèi)部的交叉耦合以下兩種方案中,采用對稱交叉耦合的方案佳.