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1、濾波器技術(shù)(4)Filter Technology(4) TE01模介質(zhì)濾波器 TE01 Mode DR Filter,1.發(fā)展背景 Background,由于無(wú)線電通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、更有效、高品質(zhì)的無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)需要高性能的濾波器。介質(zhì)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(yīng)用到各類(lèi)通信基站中, 在即將到來(lái)的3G通信領(lǐng)域擁有廣闊的市場(chǎng)前景。它的研究與開(kāi)發(fā)，是今后濾波器發(fā)展的重點(diǎn)之一。,2.介質(zhì)諧振腔 DR resonant cavity,2.1 介質(zhì)諧振器的物理組成 介質(zhì)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(zhì)粉末材料（如：鈦酸鋇，鋯酸鹽，鈦酸鋯

2、錫等）經(jīng)混合高溫?zé)Y(jié)而成，這些介質(zhì)材料通常都具有優(yōu)良的電磁特性。 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(lái)支撐介質(zhì)諧振器。支撐柱通常選用低損耗，介電常數(shù)相對(duì)于諧振器來(lái)說(shuō)很低的介質(zhì)材料，通常我們使用的是Al203 .,2.2 介質(zhì)諧振腔的結(jié)構(gòu)Tuning Element: metal or dielectricSupport: AluminaEnclosure: Aluminum cavityAdhesive: Proprietary,2.3 介質(zhì)諧振器的形狀及電磁場(chǎng)型 Shape 圓柱形介質(zhì)諧振器的工作主模為T(mén)E01模,如下圖所示:,內(nèi)部的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu) I

3、nner electromagnetic field,TE01模介質(zhì)諧振器實(shí)物照片 典型尺寸: 腔體直徑/介質(zhì)外徑1.5倍(太小影響Q值) 外徑/高度=2.5(提高Q值,避開(kāi)TM模) 內(nèi) /外徑比最大可到0.35(在頻域上使基模與高次模分開(kāi), 方便安裝 ),2.4 介質(zhì)諧振器的工作原理 Principium,電壁 Electric Wall 電場(chǎng)的切向方向?yàn)榱?磁場(chǎng)的法向方向?yàn)榱?它能使電磁波產(chǎn)生完全反射,沒(méi)有透射波穿過(guò)電壁. 經(jīng)典的電壁為理想導(dǎo)體壁(電阻率為零). 通過(guò)導(dǎo)體壁圍成的一個(gè)金屬空腔,一旦有適當(dāng)頻率的電磁波入射,波將在壁上全反射,并在腔內(nèi)形成電磁駐波,發(fā)生電磁諧振. 非

4、理想導(dǎo)體壁形成的金屬空腔 金屬空腔濾波器,磁壁 Magnetic Wall,電場(chǎng)的法向方向?yàn)榱?磁場(chǎng)的切向方向?yàn)榱?它也能使電磁波產(chǎn)生完全反射,沒(méi)有透射波穿過(guò)磁壁. 經(jīng)典的近似磁壁為高介電常數(shù)的介質(zhì)面. 既然電壁所構(gòu)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(zhì)諧振器也可以作微波諧振器,所不同是對(duì)于介質(zhì)諧振器而言,電磁能量大部分被禁固在介質(zhì)諧振器內(nèi)部,導(dǎo)致提高Q值的同時(shí)卻給介質(zhì)濾波器的調(diào)試帶來(lái)困難,介質(zhì)表面反射電磁波示意圖,2.5 介質(zhì)諧振器等效電路 Equivalent Circuit,2.6 調(diào)節(jié)器 Tuning element,如前所述,介質(zhì)諧振腔的調(diào)節(jié)器可以為金屬,也可以為

5、介質(zhì).通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器與介質(zhì)諧振器的間距,可以影響介質(zhì)諧振器外部的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)而調(diào)整頻率,最終實(shí)現(xiàn)特定的濾波器傳輸特性.,2.7 介質(zhì)諧振器的性能指標(biāo) Electrical Characteristics,Q值 Q value 介質(zhì)諧振器的Q值分為有載Q值(Loaded Q)和無(wú)載Q值(Unloaded Q). 無(wú)載Q值是介質(zhì)諧振器的一個(gè)恒定指標(biāo)，它不隨諧振器與外界電路的耦合強(qiáng)弱而改變；有載Q值也是恒量介質(zhì)諧振器性能的一個(gè)指標(biāo)，通常我們?cè)趯?shí)際的測(cè)量過(guò)程中得到的就是它的有載Q值，如下圖所示。這兩個(gè)Q值實(shí)際上是衡量同一個(gè)性能的不同表達(dá)方式，它們之間可以互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：,,其中 =L

6、oaded Q,Loaded Q值測(cè)量方法1懸空的耦合環(huán),垂直于電場(chǎng),,Loaded Q值測(cè)量方法2接地的耦合環(huán),垂直于磁場(chǎng),諧振頻率Fo和相對(duì)介電常數(shù)Resonant Freq.而對(duì)于不相鄰但符號(hào)相同的耦合,我們看作一個(gè)負(fù)耦合,并用一個(gè)電容表示. 我們可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)三個(gè)一組和四個(gè)一組平面的窗口結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的交叉耦合符號(hào)不一樣,只是因?yàn)橹虚g多了一個(gè)金屬片. 這點(diǎn)與其它的腔體濾波器比如波導(dǎo)和梳狀線不一樣,因?yàn)楣ぷ髂Ｊ降碾姶欧植疾灰粯?,五腔三飛,以下為一個(gè)典型的介質(zhì)濾波器五腔三飛結(jié)構(gòu),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(gè)CT結(jié)構(gòu):,根據(jù)以往的相位

7、分析法可知,每個(gè)CT結(jié)構(gòu)將在通帶左端產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn).,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(diào)整環(huán)與介質(zhì)諧振器的間 距可以調(diào)整 耦合強(qiáng)弱,磁耦合,一端接地的金屬柱,與介質(zhì)諧振器垂直放置.一般在金屬柱上焊接抽頭,調(diào)整抽頭對(duì)地高或金屬柱與介質(zhì)諧振器的間距可以調(diào)整耦合強(qiáng)弱.(適合于耦合較弱場(chǎng)合),金屬空腔耦合,輸入輸出為一個(gè)與介質(zhì)諧振器垂直放置的金屬空腔(適合于耦合較強(qiáng)場(chǎng)合,諧波改善的同時(shí)Q下降),3.6 外部Q和抽頭時(shí)延 External Q & De

8、lay,在實(shí)際的濾波器調(diào)試中,如果能將抽頭的外部Q值(或時(shí)延和 相位)調(diào)到理論理, 通帶就可以很容易地升起來(lái)了,也不需要反復(fù)地” cut and try”. 特別是調(diào)試介質(zhì)濾波器的時(shí)候. 外部Q值與抽頭反射時(shí)延關(guān)系: bw為耦合帶寬,t為抽頭反射時(shí)延,外部Q值與耦合矩陣值的關(guān)系BW為濾波器實(shí)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(shí)延與耦合矩陣值的關(guān)系,3.7 平均功率容量 Average Power Capacity,介質(zhì)濾波器的平均功率容量不高,如果強(qiáng)行加載高平均功率會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題: 3.7.1 諧振器炸裂 主要是介質(zhì)諧振器供應(yīng)商在諧振器技術(shù)上的

9、體現(xiàn)。介質(zhì)供應(yīng)商，應(yīng)該制造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。,3.7.2 濾波器通帶偏移(與高溫測(cè)試偏移不同),解決辦法: A.提高諧振器Q 值 B.在滿(mǎn)足高低溫的條件下,盡量使介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)(絕對(duì)值)小. C.提高支撐柱與粘膠的熱傳導(dǎo)率,在滿(mǎn)足Q的前提下減短支撐柱的高度,,D.改變?yōu)V波器內(nèi)部的交叉耦合,以下兩種方案中,采用對(duì)稱(chēng)交叉耦合的方案佳.,,,4.介質(zhì)濾波器設(shè)計(jì)方法 Procedures,4.1 通過(guò)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(hào),耦合矩陣(系數(shù)) 4.2 通過(guò)規(guī)范要求選擇合適的級(jí)間耦合方式及輸入輸出耦合 方式 4.3 設(shè)計(jì)介質(zhì)諧振器和支撐柱 調(diào)節(jié)器,諧振頻率,安裝方式,尺寸,介電常數(shù)(介質(zhì)材料)等 4.4 為實(shí)現(xiàn)級(jí)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(diào)試,