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1、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 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 DR resonant cavity,2.1 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，鋯酸鹽，鈦酸鋯

2、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: Proprietary,2.3 介質諧振器的形狀及電磁場型 Shape 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 I

3、nner electromagnetic field,TE01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. 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

4、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 介質諧振器等效電路 Equivalent Circuit,2.6 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

5、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 =L

6、oaded 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.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,1,2,3,4,5,,,,,,,,,,,,,,上述等效電路可以分解為三個CT結構:,根據(jù)以往的相位

7、分析法可知,每個CT結構將在通帶左端產生一個零點.,1,2,5,,,,,,,2,3,4,,,,,,,2,4,5,,,,,,,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),3.6 外部Q和抽頭時延 External Q & De

8、lay,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,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。,由以上兩公式可以推算出反射時延與耦合矩陣值的關系,3.7 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

9、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,采用對稱交叉耦合的方案佳.,,,4.介質濾波器設計方法 Procedures,4.1 通過仿真確定節(jié)數(shù),單腔大小和Q值,交叉耦合的位置及符號,耦合矩陣(系數(shù)) 4.2 通過規(guī)范要求選擇合適的級間耦合方式及輸入輸出耦合 方式 4.3 設計介質諧振器和支撐柱 調節(jié)器,諧振頻率,安裝方式,尺寸,介電常數(shù)(介質材料)等 4.4 為實現(xiàn)級間耦合和輸入輸出耦合選擇合適的物理模型 4.5 確定窗口尺寸 4.6 安裝調試,