介質(zhì)濾波器技術(shù)總結(jié)

1、te01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(fèi)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(diǎn)所在。1.1 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(huì)完全反射回來，沒有透射波穿透電壁。因此，用電壁圍成一個(gè)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(shí)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。可見電

2、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(huì)長期地維持下去，將隨時(shí)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(shí)間的長短（時(shí)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(duì)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?yàn)楹铣蓤龅碾娏€垂直導(dǎo)體表面，亦即垂直電壁；而在高介電常數(shù)的介質(zhì)界面上，磁場的切向分量近似為零，入

3、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(shí)，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(duì)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(gè)磁諧振器，電磁能量在介質(zhì)塊內(nèi)振蕩，不會(huì)穿過磁壁泄露到空氣里。介質(zhì)波導(dǎo)理論若將一個(gè)介質(zhì)棒變成一個(gè)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(gè)行波環(huán)。如果介質(zhì)損耗非常小，循環(huán)時(shí)間就很長，于是電磁波被“禁錮”在介質(zhì)環(huán)內(nèi)，成為一個(gè)環(huán)形介質(zhì)諧振器。介質(zhì)環(huán)的最小

4、平均周長，應(yīng)該是被導(dǎo)波的一個(gè)波導(dǎo)波長。上述的諧振條件并未對(duì)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。此外，環(huán)的內(nèi)徑大小對(duì)諧振來說也不是實(shí)質(zhì)性的，內(nèi)徑縮小至零，照樣能維持諧振，儲(chǔ)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。1.2 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(duì)原材料的要求比較高，要獲得高質(zhì)量的材料須嚴(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

5、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(gè)介質(zhì)諧振器通過耦合構(gòu)成的。1.3介質(zhì)諧振器的幾種主要結(jié)構(gòu)及尺寸類型模式形狀尺寸適用頻率（1）介質(zhì)諧振器shf頻率3ghz（2）同軸諧振腔uhf頻率2ghz（3）帶狀電路諧振器uhf頻率shf頻率1 4 te01 諧振單腔的尺寸設(shè)計(jì)： 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(lì)三種振蕩模式:te、 tm、he型振蕩模式,本文中主要介紹te01。其電

6、場主要在集中于 二、腔體介質(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(shí)現(xiàn)。2.1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(diǎn)：1、 可以實(shí)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(jí)2、 可以實(shí)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(diǎn)：1、批量生產(chǎn)工藝控制要非常嚴(yán)格2、因?yàn)橹C振器導(dǎo)熱能力差，所以平均功率容量小。3、因?yàn)榻^大部分電場被束縛在介質(zhì)諧振器內(nèi)部，耦

7、合螺桿調(diào)節(jié)范圍很小。2.2材料與諧振器性能關(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().歐姆損耗().輻射損耗()這三個(gè)因素的影響,q主要由介質(zhì)損耗決定。對(duì)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，與也成反比關(guān)系此外品質(zhì)因數(shù)q與微波頻率f有關(guān)：式中-有功介電常數(shù)；無功介電常數(shù)；材料固有角頻率；材料衰減常數(shù)；微波頻率為f時(shí)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

8、q值時(shí)，必須換算成同一個(gè)頻率才有可比性。據(jù)報(bào)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?dú)鈿夥罩型嘶鹛幚硎共牧咸岣吡藂值。三、腔體介質(zhì)諧振濾波器設(shè)計(jì)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(gè)諧振腔尺寸。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)：兩端諧振器由于終端耦合結(jié)構(gòu)

9、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。一般截止圓波導(dǎo)直徑是介質(zhì)半徑的2倍。3、 由外部q值設(shè)計(jì)出輸入和輸出的耦合結(jié)構(gòu)。4、 根據(jù)計(jì)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。四、te01模式介質(zhì)諧振濾波器內(nèi)部的耦合形式。4.1 饋電處耦合 饋電處的耦合主要是用來滿足濾波器設(shè)計(jì)外部q值的要求，根據(jù)饋電點(diǎn)處的耦合帶寬，轉(zhuǎn)換為饋電點(diǎn)處的反射時(shí)延的關(guān)系,可以設(shè)計(jì)某種耦合結(jié)構(gòu)來滿足饋電點(diǎn)處的反射時(shí)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。4.2 級(jí)間耦合

10、腔間的耦合是通過耦合窗口實(shí)現(xiàn)的，耦合窗口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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模式的強(qiáng)，并且窗口寬度的方向正好是磁場排列的方向。一對(duì)相對(duì)稱的耦合腔之間有兩個(gè)本征模。一個(gè)相對(duì)應(yīng)的在他們之間插入了一個(gè)良電壁，另一個(gè)是在他們之間插入良磁壁而得到的。實(shí)際的場離散是兩個(gè)本征模式的線形重疊。對(duì)于磁耦合而言，因?yàn)樵隈詈蠀^(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?yàn)楣ぷ髂Ｊ降拇艌龈淖兞朔?hào)穿過耦合窗口

11、。但是局部的場強(qiáng)將會(huì)支配耦合窗口周圍的局部的場強(qiáng)，使得整個(gè)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?hào)的確定是非常重要的.4.3 交叉耦合 交叉耦合可以用來實(shí)現(xiàn)濾波器性能的改進(jìn),例如準(zhǔn)橢圓函數(shù),恒定時(shí)延和非對(duì)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(duì)稱和非對(duì)稱傳輸零點(diǎn)的基本函數(shù).相應(yīng)的te01模式腔體和他們等價(jià)的耦合諧振模式如下圖.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(hào)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(hào)是非常有意義的,在平面上四組和三節(jié)里通過窗口來實(shí)現(xiàn)交叉耦合是不一樣的,通

12、過探針實(shí)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(shí),因?yàn)楣ぷ髂Ｊ降膱龇植家彩遣幌嗤?五、te01模式介質(zhì)諧振濾波器高低溫解決方案。5.1濾波器高低溫問題要求 介質(zhì)濾波器因?yàn)槠渲饕碾妶龆技性谥C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(duì)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。5.2 改善方法 帶通濾波器可近似看為是由幾個(gè)單獨(dú)的相同體積諧振腔，通過耦合窗口耦合在一起。所以要完成一個(gè)溫度穩(wěn)定

13、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。5.3 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(shí)，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(shí)，可以用來測試tm模式。六、te01模式介質(zhì)諧振濾波器平均功率解決方案。61平均功率時(shí)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(huì)導(dǎo)致諧振器發(fā)熱。介質(zhì)濾波器中，諧振器材料主要由金屬氧化物陶瓷構(gòu)成，其

14、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(hào)源發(fā)生較大功率的等幅波功率時(shí)，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(huì)產(chǎn)生兩個(gè)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)商在諧振器技術(shù)上的體現(xiàn)。介質(zhì)供應(yīng)商，應(yīng)該制造

15、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。2、 濾波器整體通帶頻率偏移金屬腔體在高溫情況下，會(huì)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(huì)相低漂移，為了解決高低溫下單個(gè)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(shí)，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(huì)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，駐波比變大，濾波器功能失效。 解決之道：1、 濾波器發(fā)熱主要是

16、因?yàn)闉V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(gè)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(huì)急劇變熱，有利于濾波器內(nèi)部盡快熱平衡。2、 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(shí)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。3、 單個(gè)諧振器的設(shè)計(jì)，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(jì)也是很關(guān)鍵的，支撐柱與諧振器粘結(jié)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

17、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：4、 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(shí)，傳輸零點(diǎn)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(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)使得交叉耦合遠(yuǎn)離輸入端。六個(gè)腔加兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的排腔方式5、 可以通過改變排腔方式以及傳輸零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方式來改善平均功率的承受能力，上圖中的兩個(gè)跨奇數(shù)節(jié)的交叉耦合何以由一個(gè)跨偶數(shù)節(jié)的交叉耦合來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)帶外對(duì)稱的傳輸零點(diǎn)。六腔加一對(duì)稱飛的排腔方式此種交叉耦合方式使得傳輸零點(diǎn)的能量由兩個(gè)腔3、4來承

18、受，相對(duì)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(diǎn)調(diào)對(duì)稱。七、te01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(duì)2次，到3次諧波是有抑制要求的，一般可用一個(gè)低通濾波器串在帶通濾波器前級(jí)或后級(jí)來抑制諧波。在濾波器中間隔的排放金屬諧振器和介質(zhì)諧振器可以改善濾波器的諧波效應(yīng)，但是這樣也會(huì)降低濾波器的整體qu,增加濾波器的插入損耗。這種濾波器可以看做是一個(gè)介質(zhì)的窄帶濾波器和一個(gè)金屬的寬帶濾波器串聯(lián)在一起，以上兩種途徑的插損估算公式如下：其中，和分別是濾波器相對(duì)帶寬，濾波器低通原形參數(shù)，窄帶dr濾波器的無載q值。,是寬帶梳狀線濾波器的相關(guān)參數(shù)。這種濾波