介質加載諧振腔濾波 器的頻率溫度系數(shù)

1、介質加載諧振腔濾波器的頻率溫度系數(shù)柳光福 劉啟明(上海埃德電磁技術有限公司,上海 200237摘要:本文引用移動通信基站雙工器頻率溫度系數(shù)(FTC 的測量方法和得到的實驗數(shù)據(jù) ,來 指導設計介質加載諧振腔濾波器 (本文以下稱為介質諧振腔濾波器 , 主要包括介質材料的選擇 和微調機構的設計。按此方法設計的介質濾波器的頻率溫度系數(shù)能滿足下一代移動通信、 ITFS 、 MMDS 和其它相對帶寬極窄應用場合的要求。關健詞:頻率溫度系數(shù),介質材料,介質諧振腔,介質諧振腔濾波器,微調機構Frequency Temperature Coefficient of Dielectric Loaded Cavit

2、y FilterLiu , Guang-fu and Liu, Qi-ming(AERODEV Electromagnetic Tech Inc., Shanghai 200237, ChinaAbstract: The measuring method and test results of frequency temperature coefficient (FTC of diplexers serving in base station of mobile communication systems are cited and adopted in order to study FTC

3、of dielectric loaded cavity filter. If properly selecting dielectric materials FTC and well designing the trimming outfit, FTC of dielectric loaded cavity filter is able to meet the requirements of the next generation mobile communication systems, IFTS, MMDS and others which have the smaller relativ

4、e narrow passband and strict FTC.Key words: Frequency temperature coefficient (FTC, Dielectric material, Dielectric loaded resonator, Dielectric loaded cavity filter, trimming outfit移動通信技術受到世界各國的重視,得到迅猛的發(fā)展和廣泛的應用。在很短的時間內,我 國的移動電話用戶就躍居世界之首,使我國通信信息產業(yè)的發(fā)展取得了舉世屬目的成就。 我國目前營運的 G 網(wǎng)(GSM 體制和 C 網(wǎng)(CDMA 體制移動通信是屬于

5、第二代或二 代半的技術和設備,主要是實現(xiàn)話音通信,傳輸速率低,信息量小。現(xiàn)在,第三代移動通訊的 技術已經(jīng)成熟,正在醞釀實際應用。我國具有自主知識產權的 TD-SCDMA 制式的第三代移動 通信技術和設備已發(fā)展到實用水平,與國外的 WCDMA 和 cdma 制式的技術和設備處于相同 的競技狀態(tài),在不久的將來進入我們的生活。另一方面,不管現(xiàn)行移動通信用的是 G 網(wǎng)還是 C 網(wǎng),也無論第三代移動通信中是頻分體 制(如 WCDMA ,還是時分體制(如 TD-SCDMA ,都會用雙工器與天線的搭配來同時實現(xiàn) 通信信號的發(fā)送和接收,雙工器在移動通信系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。實際上,雙工器就 是把接收濾波

6、器和發(fā)射濾波器適當?shù)亟M合在一起,它們的頻率溫度特性直接關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定 和通信質量。由于多種原因,特別是控制成本的原因,雙工器幾乎都是用鋁材料加工成型和鍍銀的工藝 來制造。但是,鋁材料的熱膨脹系數(shù)比銅和鋼都大,這就存在一個問題,雙工器(即濾波器的特性(含傳輸、阻抗和相位特性等會隨溫度變化出現(xiàn)較大的偏移,也就是濾波器的頻率溫 度特性欠佳,在設計時要給以適當?shù)难a償,才能滿足實際使用的要求。 FTC 能定量的表示濾波 器的上述特性,在參考文獻中,提出了兩種 FTC 的描述方法,第一種由 表示的絕對頻率偏 移(Hz/ ,即在(1式中:F1(Hz 是在溫度為 T1(時,測得濾波器某特定頻率點(如濾波器的

7、傳輸極點的頻率數(shù) 值;F2(Hz 是當溫度變?yōu)?T2(時,測得濾波器上述特定頻率點偏移后的頻率數(shù)值。第二種由 表示的相對頻率偏移(ppm/ ,即參考文獻中,詳細介紹了在實驗室測量 900MHz 和 1800MHzGSM 移動基站雙工器的 FTC ,得到一些很有意義的結果:例如當用鋁材料和鍍銀工藝來制作微波濾波器時,它們的頻 率溫度系數(shù) 和 都是負的。即當溫度升高時,它們的頻率響應曲線會往低頻率方向偏移;反 之,當溫度下降時,它們的頻率響應曲線會往高頻率方向偏移。在參考文獻中,給出了兩種實用的頻率隨溫度變化的設計方法。其一為用(3式來估算 在給定溫度變化范圍內的頻率偏移 W 偏移 ,即W 偏移

8、=頻率溫度系數(shù) (3式中的 T 高 是濾波器的最高工作溫度, T 低 是最低工作溫度。在設計濾波器的帶寬時,其額 定帶寬要加上 W 偏移 , 以保證濾波器的帶寬不會因工作溫度的變化而發(fā)生不滿足系統(tǒng)要求情況的 發(fā)生。其二為在用鋁工藝制造濾波器的腔體時,諧振腔的內導體用材料鈦來制作,用鋼材料作 調諧螺釘,選用不同材料的不同線膨脹系數(shù)來控制 FTC ,使之為最小,以此來控制濾波器的溫 度偏移。 但是, 由于鈦和鋼材料的引入, 會惡化雙工器和濾波器的互調失真 (詳見參考文獻 , 這個方法的應用受到限制。在某些應用場合, 會遇到對 FTC 要求十分嚴格的情況, 如 MMDS 和 IFDS 系統(tǒng)中的信道濾

9、波 器、下一代移動通信的雙工器和濾波器,以及某些特殊場合的雙工器和濾波器。其中, ITFS 和 MMDS 的信道濾波器的頻率分配如表 1和表 2所示。它們分配的頻率在 2.52.7GHz 之間,每 個信道濾波器的最小帶寬只有 5MHz ,相對帶寬很窄,小于千分之二。每個信道之間的保護帶 寬只有零點幾兆赫茲。如按參考文獻所述的鋁材料和鍍銀工藝設計制造的這種濾波器,每攝 氏度有 10-20千赫茲的頻率偏移,那末,在工作環(huán)境溫度范圍(0-60內,濾波器的通帶 早已偏移到臨近頻道上,系統(tǒng)根本無法運行。為此,這種濾波器可以用溫度穩(wěn)定性好的介質諧 振腔濾波器來實現(xiàn)。下面,我們討論如何設計和控制介質諧振腔濾

10、波器的 FTC 。頻率溫度系數(shù) (1 (F2-F1 (T2-T1頻率溫度系數(shù) = (2 2(F2-F1 /(F1+F2 (T2-T1(T 高 T 低 (3在參考文獻中,詳細討論了介質諧振腔濾波器的設計。由于介質諧振腔具有無載 Q 很高 的特點,很適合于制造 MMDS 和 IFDS 系統(tǒng)中的信道濾波器、下一代移動通訊系統(tǒng)中的雙工器 和濾波器,及其它特殊用途的濾波器,因為這些帶通濾波器的相對帶寬都很窄。 當然,介質諧振腔濾波器也有頻率隨溫度變化而偏移的特性,同樣可以用上述(1和(2 式來估算它們的 FTC 。要控制介質諧振腔濾波器和由介質諧振腔濾波器做成的雙工器的 FTC , ITFS信道編號中心

11、頻率 (MHz ITFS 信道編號 中心頻 率 (MHz A1 B1 2509 B1 + 0.25 2509.25A2 B2 2521 B2 + 0.25 2521.25A3 B3 2533 B3 + 0.25 2533.25 A4 B4 2545 B4 + 0.25 2545.25 C1 D1 C2 D2 C3 D3 C4 D4 表 1 ITFS 信道濾波器的頻率分配表 MMDS 信道編號 中心頻率 (MHz MMDS 信道編號 中心 頻率 (MHz E1 2599 E1 + 0.25 2599.25 E2 2611 E2 + 0.25 2611.25 E3 2623 E3 + 0.25 2

12、623.25 E4 2635 E4 + 0.25 2635.25 H1 2653 H1 + 0.25 2653.25 H2 2665 H2 + 0.25 2665.25 H3 2677 H3 + 0.25 2677.25 H4 2689 H4 + 0.25 2689.25 表 2 MMDS 信道濾波器的頻率分配表(A 金屬圓片微調 圖 1 介質諧振腔的內部結構和微調機構 (B 介質圓片微調 (C 介質芯柱微調必須從控制介質諧振腔的 FTC 入手。 圖 1 示出了最常用的三種介質諧振腔結構簡圖。 其中的介 質材料是與支撐材料粘接在一起,置于金屬腔體的中央,這個支撐材料必須是低損耗的、線膨 脹系數(shù)

13、小的、相對介電常數(shù)低的高強度絕緣材料,如氧化鋁等。在參考文獻中述及的、用鋁工藝制造的雙工器,由于受到通信系統(tǒng)互調失真的約束,其 發(fā)射和接收濾波器的諧振腔不允許用兩種以上的材料來制造。在這樣的條件下來控制 FTC 是十 分困難的。對介質諧振腔而言,情況就大有改觀。首先,當介電常數(shù)為 27以上時,介質諧振腔 TE 01的諧振頻率由介質材料的尺寸來決定。 當介電常數(shù)小于 27, 雖然不完全由介質材料的尺寸 來決定,但是,它仍是起主導作用的因數(shù)。由于每一種介電常數(shù)的材料,都能做成不同的 FTC (有正、負以致零 FTC 可供選擇。我們可以通過估算和實驗來選用合適 FTC 的材料,達到控 制介質諧振腔頻

14、率溫度特性的目的。如某著名大公司 KM 系列的介質材料的部分特性如表 3所 示。產品特性編碼 介電常數(shù) 頻率溫度系數(shù)(ppm/ 的最小 Q 值00 38.5±1.020 38.7±1.0 ±2720040 38.9±1.0 ±4710060 39.2±1.0 ±67000一方面,采用嚴格的配方、特殊復雜的工藝,是可以制造出零 ppm/的介質材料的,當 然價格昂貴,一般來講, FTC 越小,價格就越貴。另一方面,盲目選用 FTC 小的介質材料,對 降低濾波器和雙工器的成本極為不利,實踐證明也無此必要。只要我們深入分析,從實踐中

15、總 結經(jīng)驗,完全可以用 FTC 較差的介質材料,做出頻率溫度特性很好的濾波器和雙工器。在參考文獻中述及,用鋁工藝所做的同軸諧振腔的雙工器和濾波器的 FTC 為負,當圖 1中的腔體用鋁或用其它金屬材料來制造時,其腔體的 FTC 仍為負,作為補償,諧振腔內的介質 材料應選具有正 FTC 的,才能控制介質諧振腔濾波器和雙工器 FTC ,滿足某些苛刻的要求。 在圖 1 示出了最常用的三種介質載諧振腔結構簡圖中,我們還要關注有關的微調機構,因 為微調機構的設計也能控制濾波器的 FTC 。圖 1(A 中的微調是用金屬圓片來實現(xiàn)的,它的特 點是微調頻率范圍小,當金屬圓片接近介質材料時要產生大的渦流,引起介質

16、加載諧振腔的 Q 值下降,損耗要增大;圖 1(B 中的微調是用同一種材料的介質圓片來實現(xiàn),其特點是微調頻 率范圍大,但是,介質到微調圓片的距離與微調頻率間是非線性關系,特別是當介質圓片與介 質的距離十分接近時,頻率變化劇烈,控制難度大,實現(xiàn)溫度補償較為困難;圖 1(C 中的微 調是用同一種材料的介質芯柱來實現(xiàn),它能實現(xiàn)的微調范圍大,介質芯柱到介質的距離與微調 頻率間基本上是線性關系, 是進行溫度補償較為容易的一種結構。 結合所用的介質材料的 FTC , 選用合適線膨脹系數(shù)的金屬或朔料來制作微調機構中與介質材料連接的螺桿,可以從另一側面 來補償濾波器和雙工器 FTC ,有可能采用廉價的、 FTC

17、 較大的介質材料制作出較理想的濾波器 和雙工器。圖 1僅示出介質諧振腔的原理。實際應用中,要設法使介質材料的安裝和微調機構可靠, 實現(xiàn)既方便生產,又便于調整。為了開展介質諧振腔濾波器 FTC 的研究,曾設計加工了由四介質諧振腔組成的、有非臨近 耦合的介質諧振腔濾波器,圖 2是它的照片。其腔體用鋁材加工,表面鍍銀。照片中的圓環(huán)是 介質材料, 實驗中所用介質材料的介電常數(shù)約為 36-40, 它們的支撐材料是高強度、 低損耗的瓷 柱,微調機構采用圖 1(A 的金屬圓片。表 3 某介質材料的特性參數(shù) 把介質諧振腔濾波器安裝調整好后,按照參考文獻介紹的 FTC 測試方法,測出不同編號介質 材料的濾波器的

18、 FTC ,表 4列出部分數(shù)據(jù)。從表 4可以看出,材料編號為 4的材料與腔體的組合較好,介質諧振腔濾波器的頻率溫度系 數(shù)為-4.45kHz/。與參考文獻的實驗數(shù)據(jù)比較,進行推理和判斷,可以肯定:介質材料編 號為 1的頻率溫度系數(shù)應該是負 FTC ,因為這些數(shù)值比參考文獻中用鋁工藝制造的雙工器 的頻率溫度系數(shù)還要負很多,這是沒能正確選用了介質材料的 FTC 所致。從參考文獻的實 驗數(shù)據(jù)知道, 1800MHz GSM鋁工藝雙工器的頻率溫度系數(shù)-12.5kHz/,要控制介質諧 振腔濾波器的 FTC ,必須選用正 FTC 的介質材料才能達此目的。由于在研究這種濾波器頻率溫 度特性的過程中,受多種條件限

19、制,我們沒有能力測試出每一種介質材料的 FTC 。材料 編號 中心頻率f 0(MHz 濾波器 帶寬 (MHz 10測試 點 f 1 (MHz 70測試 點 f 7 (MHz 溫升 ( 總漂 移量 (f1-f 7 頻率溫度 系數(shù) (kHz/ 1 f 0= 17.5 0= 11.66 0= 8.15 0= 4.45 圖 2 用作實驗的介質諧振腔濾波器的照片在研究介質諧振腔濾波器的 FTC 實踐中，我們不斷總結經(jīng)驗，得到了可喜的結果。其中一 個實驗濾波器去掉上蓋板后腔體內的實際情況如圖 2 的照片所示。圖 2 中四個諧振腔體的尺寸 為 43（寬）×43（長）×30（深）立方毫米；

20、介質材料的介電常數(shù)約為 38，它的尺寸為 21（外 徑）×7（內徑）×8（厚）立方毫米；使用的微調機構如圖 1（B）所示，其中微調介質圓盤的 具體尺寸為 19（外徑）×7（內徑）×1.5（厚）立方毫米。特殊的地方在于，微調桿是由黃銅 做成，用尼龍朔料做成螺釘，把用于微調的介質圓盤與微調機構做成一體，既便于微調，又牢 固、 可靠。 這個濾波器的中心頻率為 2641MHz， 3dB 帶寬為 9.56MHz， 相對帶寬為千分之 3.62。 圖 3 為在 R/S 公司的網(wǎng)絡分析儀上測得 0的頻率響應曲線， 4 為測得 60的頻率響應曲線， 圖 用參考文獻中介紹的

21、方法，測得這只介質諧振腔濾波器上邊帶的 FTC 為：=3.8kHz/和 =1.435ppm/， 測得下邊帶的 FTC 為=3.5kHz/和=1.328ppm/。 關于上邊帶 和下邊帶 FTC 不同的分析，見參考文獻。 5 結論 用在下一代移動通信、IFTS、MMDS 和某些電子系統(tǒng)中的濾波器和雙工器要面對這樣的現(xiàn) 6 實，既要求微波濾波器的帶寬很窄，又要求濾波器能滿足苛刻的 FTC。這時候，用介質諧振腔 濾波器來實現(xiàn)它們是一種恰當?shù)倪x擇。首先，介質諧振腔的無載 Q 值很高，由它做成的介質諧 振腔濾波器體積小，插入損耗低，選擇性能好；其次，可以通過選用低成本的、正頻率溫度系 數(shù)的介質材料，采用有補償作用的微調機構等辦法來實現(xiàn)濾波器的 FTC，既可降低這些濾波器 的成本，又能滿足某些頻率溫度特性要求十分苛刻的場合。文中論及微調機構溫度特性的分析 和控制 FTC 實際例子的介紹，對設計這類濾波器有可供借鑒之處。 6 感謝 本研究得到上海市科技發(fā)展基金的資助，項目編號為 025211099。 參考文獻