1、滤波器技术(4) Filter Technology(4) TE01模介质滤波器 TE01 Mode DR Filter 1 1.发展背景 Background 由于无线电通信技术的发展，低成本、更有效、高品质的无 线通信收发系统需要高性能的滤波器。介质谐振腔体滤波器由 于其体积小，损耗小,选择性高而逐渐广泛应用到各类通信基站 中, 在即将到来的3G通信领域拥有广阔的市场前景。它的研究 与开发，是今后滤波器发展的重点之一。 2 2.介质谐振腔 DR resonant cavity 2.1 介质谐振器的物理组成 介质谐振器由高介电常数、低损耗和低频率温度系数的 微波介质粉末材料（如：钛酸钡，锆酸
2、盐，钛酸锆锡等） 经混合高温烧结而成，这些介质材料通常都具有优良的电 磁特性。 为了减小介质谐振器放入腔体后的损耗，提高介质谐振 器的Q值，通常选择支撑柱来支撑介质谐振器。支撑柱通 常选用低损耗，介电常数相对于谐振器来说很低的介质材 料，通常我们使用的是Al203 . 3 2.2 介质谐振腔的结构 Tuning Element: metal or dielectric Support: Alumina Enclosure: Aluminum cavity Adhesive: Proprietary 4 2.3 介质谐振器的形状及电磁场型 Shape 圆柱形介质谐振器 的工作主模为TE01模,如
3、下图所示: 5 内部的电磁场结构 Inner electromagnetic field 6 TE01模介质谐振器实物照片 典型尺寸: 腔体直径/介质外径1.5倍(太小影响Q值) 外径/高度=2.5(提高Q值,避开TM模) 内 /外径比最大可到0.35(在频域上使基模与高次模分开, 方便安装 ) 7 2.4 介质谐振器的工作原理 Principium 电壁 Electric Wall 电场的切向方向为零,磁场的法向方向为零.它能使电磁波 产生完全反射,没有透射波穿过电壁. 经典的电壁为理想导体壁(电阻率为零). 通过导体壁围成的一个金属空腔,一旦有适当频率的电磁波 入射,波将在壁上全反射,并在
4、腔内形成电磁驻波,发生电磁 谐振. 非理想导体壁形成的金属空腔 金属空腔滤波器 8 磁壁 Magnetic Wall 电场的法向方向为零,磁场的切向方向为零.它也能使电磁 波产生完全反射,没有透射波穿过磁壁. 经典的近似磁壁为高介电常数的介质面. 既然电壁所构成的空腔可以作为微波谐振器,显然,由高K材 料做成的介质谐振器也可以作微波谐振器,所不同是对于 介质谐振器而言,电磁能量大部分被禁固在介质谐振器内 部,导致提高Q值的同时却给介质滤波器的调试带来困难 9 介质表面反射电磁波示意图 10 2.5 介质谐振器等效电路 Equivalent Circuit 11 2.6 调节器 Tuning e
5、lement 如前所述,介质谐振腔的调节器可以为金属,也可以为介 质.通过调节调节器与介质谐振器的间距,可以影响介质谐 振器外部的电磁场结构进而调整频率,最终实现特定的滤 波器传输特性. 12 2.7 介质谐振器的性能指标 Electrical Characteristics Q值 Q value 介质谐振器的Q值分为有载Q值(Loaded Q)和无载Q值 (Unloaded Q). 无载Q值是介质谐振器的一个恒定指标，它不随谐振器 与外界电路的耦合强弱而改变；有载Q值也是恒量介质谐 振器性能的一个指标，通常我们在实际的测量过程中得到 的就是它的有载Q值，如下图所示。这两个Q值实际上是 衡量同
6、一个性能的不同表达方式，它们之间可以互相转换 ，转换公式如下： 13 其中 =Loaded Q 14 Loaded Q值测量方法1 悬空的耦合环,垂直于电场 15 Loaded Q值测量方法2 接地的耦合环,垂直于磁场 16 谐振频率Fo和相对介电常数 Resonant Freq.而对于不相邻但符号相同的耦合,我 们看作一个负耦合,并用一个电容表示. 我们可以发现,通过三个一组和四个一组平 面的窗口结构实现的交叉耦合符号不一样, 只是因为中间多了一个金属片. 这点与其它的腔体滤波器比如波导和梳状 线不一样,因为工作模式的电磁分布不一样. 27 五腔三飞 以下为一个典型的介质滤波器五腔三飞结构,
7、等效电路如右图 1 2 3 4 5 28 上述等效电路可以分解为三个CT结构: 根据以往的相位分析法可知,每个CT结构将在通带左端产 生一个零点. 1 2 5 23 4 2 4 5 29 传输函数曲线 30 3.5 输入输出耦合(抽头) Input/Output Coupling 电耦合 镰刀形状的接地环,调整环与介质谐振器的间 距可以调整 耦合强弱 31 磁耦合 一端接地的金属柱,与介质谐振器垂直放置.一般在金属柱 上焊接抽头,调整抽头对地高或金属柱与介质谐振器的间 距可以调整耦合强弱.(适合于耦合较弱场合) 32 金属空腔耦合 输入输出为一个与介质谐振器垂直放置的金属空腔(适合 于耦合较强
8、场合,谐波改善的同时Q下降) 33 3.6 外部Q和抽头时延 External Q & Delay 在实际的滤波器调试中,如果能将抽头的外部Q值(或时延和 相位)调到理 论理, 通带就可以很容易地升起来了,也不需要反复地” cut and try”. 特 别是调试介质滤波器的时候. 外部Q值与抽头反射时延关系: bw为耦合带宽,t为抽头反射时延 34 外部Q值与耦合矩阵值的关系 BW为滤波器实际带宽，Ms1为外部与第一腔的耦合 矩阵值。 35 由以上两公式可以推算出反射时延与耦合矩阵值的 关系 36 3.7 平均功率容量 Average Power Capacity 介质滤波器的平均功率容量不
9、高,如果强行加载高平均功率 会带来两个问题: 3.7.1 谐振器炸裂 主要是介质谐振器供应商在谐振器技术上的体现。介质供 应商，应该制造可靠性非常高的谐振器，选择适当的粘胶 ，适当的支撑柱设计，优良的制造、粘结工艺。 37 3.7.2 滤波器通带偏移(与高温测试偏移不同) 解决办法: A.提高谐振器Q 值 B.在满足高低温的条件下,尽量使介质谐振器的频率温度系数 (绝对值)小. C.提高支撑柱与粘胶的热传导率,在满足Q的前提下减短支撑 柱的高度 38 D.改变滤波器内部的交叉耦合 以下两种方案中,采用对称交叉耦合的方案佳. 39 4.介质滤波器设计方法 Procedures 4.1 通过仿真确定节数,单腔大小和Q值,交叉耦合的位置及符 号,耦合矩阵(系数) 4.2 通过规范要求选择合适的级间耦合方式及输入输出耦合 方式 4.3 设计介质谐振器和支撑柱 调节器,谐振频率,安装方式,尺寸,介电常数(介质材料)等 4.4 为实现级间耦合和输入输出耦合选择合适的物理模型 4.5 确定窗口尺寸 4.6 安装调试 40
