濾波器技術(4)-介質濾波器

1、濾波器技術濾波器技術(4)Filter Technology(4) TE01模介質濾波器 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的發(fā)展，低成本、更有效、高品質的無線通信收發(fā)系統(tǒng)需要高性能的濾波器。介質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.介質諧振腔介質諧振腔 DR resonant cavity2.1 介質諧振器的物理組成 介質諧振器由高介電常數(shù)、低損耗和低頻率溫度系數(shù)的微波介質粉末材料（如：鈦酸鋇，

2、鋯酸鹽，鈦酸鋯錫等）經混合高溫燒結而成，這些介質材料通常都具有優(yōu)良的電磁特性。 為了減小介質諧振器放入腔體后的損耗，提高介質諧振器的Q值，通常選擇支撐柱來支撐介質諧振器。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材料，通常我們使用的是Al203 . 2.2 介質諧振腔的結構Tuning Element: metal or dielectricSupport: AluminaEnclosure: Aluminum cavityAdhesive: Proprietary2.3 介質諧振器的形狀及電磁場型 Shape & Electromagnetic Field Distri

3、bution 最常用的介質諧振器形狀有矩形,圓柱形和圓環(huán)形.其中矩形介質諧振器的工作主模為TE11;圓柱形介質諧振器的工作主模為TE01模,如下圖所示: 內部的電磁場結構 Inner electromagnetic fieldTE01模介質諧振器實物照片 典型尺寸: 腔體直徑/介質外徑1.5倍(太小影響Q值) 外徑/高度=2.5(提高Q值,避開TM模) 內 /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.它能使電磁波產生完全反射,沒有透射波穿過電壁

4、. 經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.它也能使電磁波產生完全反射,沒有透射波穿過磁壁. 經典的近似磁壁為高介電常數(shù)的介質面. 既然電壁所構成的空腔可以作為微波諧振器,顯然,由高K材料做成的介質諧振器也可以作微波諧振器,所不同是對于介質諧振器而言,電磁能量大部分被禁固在介質諧振器內部,導致提高Q值的同時卻給介質濾波器的調試帶來困難介質表面反射電磁波示意圖2.5

5、介質諧振器等效電路 Equivalent Circuit2.6 調節(jié)器 Tuning element 如前所述,介質諧振腔的調節(jié)器可以為金屬,也可以為介質.通過調節(jié)調節(jié)器與介質諧振器的間距,可以影響介質諧振器外部的電磁場結構進而調整頻率,最終實現(xiàn)特定的濾波器傳輸特性.2.7 介質諧振器的性能指標 Electrical Characteristics Q值 Q value 介質諧振器的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換，轉換公式如下： 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/)介質諧振器的頻率溫度系數(shù)介質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)，它的測量由介質供應商在專門的不膨鋼結構的夾具中來完成，它一般不會生產為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)介質的頻率溫度系數(shù)介質的頻率溫度系數(shù)+空腔的頻率溫度系數(shù)空腔的頻率溫度系數(shù) （經驗公式,有待考證） 在濾波器的制作過程中，需要適當調整介質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 介質濾波器介質濾波器 DR filter 3.1 構成 Structure 將若干個介質諧振單元通過合理的級間耦合(相鄰&非相鄰)和輸入輸出耦合構成的能完成濾波功能的二端口網絡. 3.2 優(yōu)缺點Advantage & Disadvantage 相對于金屬空腔濾波器而言,介質濾波器具有如下優(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(調試)介質濾波器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)，耦合窗口結構

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，且對頻率的調節(jié)更敏感.(兩模頻率調節(jié)方向相反) 兩耦合腔間的磁結構 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對于決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構及他們的等效電路.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構實現(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濾波器五腔三飛結構,等效電路如右圖12345上述等效電路可以分解為三個CT結構: 根據(jù)以往的相位分析法可知,每個CT結構將在通帶左端產生一個零點.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),調整環(huán)與介質諧振器的間 距可以調整 耦合強弱磁耦合 一端接地的金屬柱,與介質諧振器垂直放置.一般在金屬柱上焊接抽頭,調整抽頭對地高或金屬柱與介質諧振器的間距可以調整耦合強弱.(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 在實際的濾波器調試中,如果能將抽頭的外部Q值(或時延和 相位)調到理論理, 通帶就可以很容易地升起來了,也不需要反復地” cut and try”. 特別是調試介質濾波器的時候. 外部Q值與抽頭反射時延關系: 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系2112ln636.6/(*)636.6/(*)SntBWMtBWM3.7 平均功率容量 Average Power Capacity 介質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 主要是介質諧振器供應商在諧振器技術上的體現(xiàn)。介質供應商，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波器內部的交叉耦合以下兩種方案中,采