單模介質(zhì)濾波器技術(shù)總結(jié)加強版

1、TE01模式介質(zhì)諧振濾波器技術(shù)總結(jié)一、前言由于無線電通信技術(shù)的發(fā)展，低費用、更有效、更好品質(zhì)的無線通信系統(tǒng)需要高性能,小體積和低損耗的腔體濾波器。介質(zhì)諧振濾波器由于其體積小，性能好目前已經(jīng)逐漸應(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)展的重點所在。1.1 TE01模介質(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

2、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?？梢婋姳诳涨皇且环N諧振器，電磁能量按一定頻率在其中振蕩。當然，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

3、，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

4、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”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。此外，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。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。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。 TE模介質(zhì)諧振器由高Q值、低損耗和高介電常數(shù)的介質(zhì)材料燒結(jié)而成，鑒于9186397x系列的特殊性，還要求介質(zhì)諧振器具有適宜的頻率溫度系數(shù)且能夠承受較高的功率。若干介質(zhì)諧振器在截止波導(dǎo)中通過一定的耦合方式級聯(lián)，輔以適宜的輸入輸出耦合方式和交叉耦合形成TE模介質(zhì)濾波器。當輸入信號頻率靠近介質(zhì)諧振器的諧振頻率時能低損耗通過，而遠離諧振頻率的信號則被衰減。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的介質(zhì)材

6、料，目前我們使用的是Al203.1.3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16000,Tf=01ppm.數(shù)目6個,考慮到將采用金屬調(diào)節(jié)盤進行調(diào)節(jié)，所以確認頻率比通帶中心頻率低7.5MHz，保證一定的調(diào)節(jié)范圍,規(guī)范書中應(yīng)該注明對諧振器的功率要求。6、 進行介質(zhì)樣品采購選擇技術(shù)成熟的供應(yīng)商，發(fā)規(guī)范書，及測試單腔夾具。早期從供應(yīng)商處得到介質(zhì)精確尺寸，進行窗口結(jié)構(gòu)仿真，并機加工腔體。7、 實際測試、調(diào)試用單腔測試諧振器Qu 及Tf,并將結(jié)果反饋供應(yīng)商作為下一步的Tf調(diào)整的依據(jù)。在保證諧振器尺寸不變的情況下，重新進行介質(zhì)樣品采

7、購，此次樣品采購將獲得最合適的介質(zhì)溫度系數(shù)。通過放射時延法訂制抽頭形狀及尺寸，通過測量耦合帶寬的方法對各個窗口大小進行修正，最終得到最適宜的尺寸。8、 對新到樣品，測試調(diào)試.對新樣品進行單腔測試，如不合格立即重新采購，如沒問題即可裝配整機進行各項測試。9、 常溫圖形：九設(shè)計實例二此處以 335的設(shè)計過程為例。1客戶規(guī)范要求ItemSpecificationPassbandMHZInsertion Loss2110.6-2115.6MHZ 1.2dB2115.6-2129.4MHZ 0.75dBPassband Ripple2110.6-2115.6MHZ 0.8dB2115.6-2129.4M

8、HZ 0.6dBReturn Loss2111.1-2129.4MHZ 18dB2110.6-2111.1MHZ 12dBRejection:1920-1940MHZ70dB1940-1980MHZ60 dBDC-1785MHZ60 dB1785-1895MHZ30 dB1895-1920MHZ60 dB1940-2109MHZ15 dB2131-2500MHZ15 dB4220-4260MHZ30 dB6330-6390MHZ30 dBGroup Delay Ripple:acrossband150nsAny Contiguous 1.25MHZ75nsPower test:Peak-Pea

9、k6000WAverage 250W2仿真結(jié)果分析從規(guī)范可以看出，濾波器的通帶帶寬為18.8MHz，帶外1.6MHz外要求抑制為15dB, 帶內(nèi)插損分段要求，分別為1.2dB和0.75dB。根據(jù)仿真結(jié)果，單腔Q值要求至少為13000。仿真結(jié)果如下：Order: 7 center frequency:2120MHZReturn Loss: 25dB ripple bandwidth: 19.6MHZFinite transmission zeros(MHZ):2109,2131 單腔Q值：13000 通過仿真可以看出，完成規(guī)范所示指標濾波器需要7個腔，單腔Q值要求至少為13000。受限于濾波器的

10、結(jié)構(gòu)限制，采用金屬空腔的話，Q值將很難達到，只能采用高Q值介質(zhì)諧振器；另外要求一個容飛和一個感飛，考慮到平均功率的要求，設(shè)計為對稱飛的形式；抽頭采取環(huán)耦合的形式，由于在4G和6G有諧波要求，我們?yōu)V波器的一端又引入了低通濾波器。3介質(zhì)諧振器的選擇和采購 除介質(zhì)諧振器的Q值要求至少為13000外，對頻率和它的頻率溫度系數(shù)也有要求。由于濾波器采用簡易的金屬盤調(diào)節(jié)，介質(zhì)諧振器本身的頻率應(yīng)低于中心頻率，而且每一個腔的介質(zhì)諧振頻率不盡相同（由于受到窗口、飛桿和抽頭的影響，以及保證調(diào)節(jié)螺桿不至于進得太深而竄入了其它諧振模式）。實驗結(jié)果得出7個介質(zhì)諧振器的諧振頻率順序分別為：2080MHz，2110MHz，2

11、100MHz，2120MHz，2120MHz，2120MHz，2080MHz在諧振器的頻率溫度系數(shù)要求方面，由于我們能夠允許的濾波器通帶頻率偏移為0100KHz，且在一定的單腔下，諧振器與腔體蓋板之間在高低溫下存在一個配合的問題，對于首次送樣我們只能要求頻率溫度系數(shù)為一個大約值，我們選擇了0.95 PPMC。根據(jù)它們在我們單腔內(nèi)的溫度測試結(jié)果，對頻率溫度曲線進行分析后得出，此頻率溫度系數(shù)偏小，應(yīng)改為1.5PPM/C。通過最后實驗得出，此頻率溫度系數(shù)引起的濾波器通帶整體偏移非常小。4窗口尺寸的確定 介質(zhì)諧振器的尺寸和腔體單腔之間的間距確定后，就可以根據(jù)耦合系數(shù)來進行窗口尺寸的仿真。由于我們選擇的

12、排腔方式為折線型，窗口排列宜采用磁耦合的方式來進行，即耦合螺桿在蓋板上。5抽頭耦合方式的選擇 濾波器通帶帶寬為18.8MHz, 抽頭與介質(zhì)諧振器的耦合要求較強，宜采用鐮刀型環(huán)耦合方式，根據(jù)仿真要求抽頭時延值要求為30ns,在實際的調(diào)試過程中反復(fù)調(diào)整抽頭與介質(zhì)諧振器的間距，來使S11或S22的時延值為30ns.6. 平均功率的解決 介質(zhì)諧振器在250W的平均功率沖擊下會發(fā)熱導(dǎo)致頻率產(chǎn)生偏移，為了控制這種頻率偏移，除了合理選擇支撐柱尺寸及散熱外，對介質(zhì)材料也需要進行分析。通過實驗得出，不同介質(zhì)材料的諧振器對平均功率的敏感程度也不盡相同，可以要求供應(yīng)商對材料進行篩選，來滿足我們的平均功率要求。7調(diào)試 由于級間耦合采用磁耦合，在調(diào)試的過程中耦合螺桿對曲線的影響不是很明顯，窗