介質(zhì)加載諧振腔濾波 器的頻率溫度系數(shù)

1、介質(zhì)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(shù)有限公司,上海 200237摘要:本文引用移動(dòng)通信基站雙工器頻率溫度系數(shù)(FTC 的測(cè)量方法和得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ,來(lái) 指導(dǎo)設(shè)計(jì)介質(zhì)加載諧振腔濾波器 (本文以下稱(chēng)為介質(zhì)諧振腔濾波器 , 主要包括介質(zhì)材料的選擇 和微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。按此方法設(shè)計(jì)的介質(zhì)濾波器的頻率溫度系數(shù)能滿足下一代移動(dòng)通信、 ITFS 、 MMDS 和其它相對(duì)帶寬極窄應(yīng)用場(chǎng)合的要求。關(guān)健詞:頻率溫度系數(shù),介質(zhì)材料,介質(zhì)諧振腔,介質(zhì)諧振腔濾波器,微調(diào)機(jī)構(gòu)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(dòng)通信技術(shù)受到世界各國(guó)的重視,得到迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在很短的時(shí)間內(nèi),我 國(guó)的移動(dòng)電話用戶就躍居世界之首,使我國(guó)通信信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了舉世屬目的成就。 我國(guó)目前營(yíng)運(yùn)的 G 網(wǎng)(GSM 體制和 C 網(wǎng)(CDMA 體制移動(dòng)通信是屬于

5、第二代或二 代半的技術(shù)和設(shè)備,主要是實(shí)現(xiàn)話音通信,傳輸速率低,信息量小。現(xiàn)在,第三代移動(dòng)通訊的 技術(shù)已經(jīng)成熟,正在醞釀實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 TD-SCDMA 制式的第三代移動(dòng) 通信技術(shù)和設(shè)備已發(fā)展到實(shí)用水平,與國(guó)外的 WCDMA 和 cdma 制式的技術(shù)和設(shè)備處于相同 的競(jìng)技狀態(tài),在不久的將來(lái)進(jìn)入我們的生活。另一方面,不管現(xiàn)行移動(dòng)通信用的是 G 網(wǎng)還是 C 網(wǎng),也無(wú)論第三代移動(dòng)通信中是頻分體 制(如 WCDMA ,還是時(shí)分體制(如 TD-SCDMA ,都會(huì)用雙工器與天線的搭配來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn) 通信信號(hào)的發(fā)送和接收,雙工器在移動(dòng)通信系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。實(shí)際上,雙工器就 是把接收濾波

6、器和發(fā)射濾波器適當(dāng)?shù)亟M合在一起,它們的頻率溫度特性直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定 和通信質(zhì)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(lái)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(gè)問(wèn)題,雙工器(即濾波器的特性(含傳輸、阻抗和相位特性等會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)要給以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,才能滿足實(shí)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(xiàn)中,提出了兩種 FTC 的描述方法,第一種由 表示的絕對(duì)頻率偏 移(Hz/ ,即在(1式中:F1(Hz 是在溫度為 T1(時(shí),測(cè)得濾波器某特定頻率點(diǎn)(如濾波器的

7、傳輸極點(diǎn)的頻率數(shù) 值;F2(Hz 是當(dāng)溫度變?yōu)?T2(時(shí),測(cè)得濾波器上述特定頻率點(diǎn)偏移后的頻率數(shù)值。第二種由 表示的相對(duì)頻率偏移(ppm/ ,即參考文獻(xiàn)中,詳細(xì)介紹了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量 900MHz 和 1800MHzGSM 移動(dòng)基站雙工器的 FTC ,得到一些很有意義的結(jié)果:例如當(dāng)用鋁材料和鍍銀工藝來(lái)制作微波濾波器時(shí),它們的頻 率溫度系數(shù) 和 都是負(fù)的。即當(dāng)溫度升高時(shí),它們的頻率響應(yīng)曲線會(huì)往低頻率方向偏移;反 之,當(dāng)溫度下降時(shí),它們的頻率響應(yīng)曲線會(huì)往高頻率方向偏移。在參考文獻(xiàn)中,給出了兩種實(shí)用的頻率隨溫度變化的設(shè)計(jì)方法。其一為用(3式來(lái)估算 在給定溫度變化范圍內(nèi)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(shè)計(jì)濾波器的帶寬時(shí),其額 定帶寬要加上 W 偏移 , 以保證濾波器的帶寬不會(huì)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(shí),諧振腔的內(nèi)導(dǎo)體用材料鈦來(lái)制作,用鋼材料作 調(diào)諧螺釘,選用不同材料的不同線膨脹系數(shù)來(lái)控制 FTC ,使之為最小,以此來(lái)控制濾波器的溫 度偏移。 但是, 由于鈦和鋼材料的引入, 會(huì)惡化雙工器和濾波器的互調(diào)失真 (詳見(jiàn)參考文獻(xiàn) , 這個(gè)方法的應(yīng)用受到限制。在某些應(yīng)用場(chǎng)合, 會(huì)遇到對(duì) FTC 要求十分嚴(yán)格的情況, 如 MMDS 和 IFDS 系統(tǒng)中的信道濾

9、波 器、下一代移動(dòng)通信的雙工器和濾波器,以及某些特殊場(chǎng)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(gè)信道濾波器的最小帶寬只有 5MHz ,相對(duì)帶寬很窄,小于千分之二。每個(gè)信道之間的保護(hù)帶 寬只有零點(diǎn)幾兆赫茲。如按參考文獻(xiàn)所述的鋁材料和鍍銀工藝設(shè)計(jì)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(nèi),濾波器的通帶 早已偏移到臨近頻道上,系統(tǒng)根本無(wú)法運(yùn)行。為此,這種濾波器可以用溫度穩(wěn)定性好的介質(zhì)諧 振腔濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面,我們討論如何設(shè)計(jì)和控制介質(zhì)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(xiàn)中,詳細(xì)討論了介質(zhì)諧振腔濾波器的設(shè)計(jì)。由于介質(zhì)諧振腔具有無(wú)載 Q 很高 的特點(diǎn),很適合于制造 MMDS 和 IFDS 系統(tǒng)中的信道濾波器、下一代移動(dòng)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?yàn)檫@些帶通濾波器的相對(duì)帶寬都很窄。 當(dāng)然,介質(zhì)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(lái)估算它們的 FTC 。要控制介質(zhì)諧振腔濾波器和由介質(zhì)諧振腔濾波器做成的雙工器的 FTC , ITFS信道編號(hào)中心

11、頻率 (MHz ITFS 信道編號(hào) 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(hào) 中心頻率 (MHz MMDS 信道編號(hào) 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(diào) 圖 1 介質(zhì)諧振腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu) (B 介質(zhì)圓片微調(diào) (C 介質(zhì)芯柱微調(diào)必須從控制介質(zhì)諧振腔的 FTC 入手。 圖 1 示出了最常用的三種介質(zhì)諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 其中的介 質(zhì)材料是與支撐材料粘接在一起,置于金屬腔體的中央,這個(gè)支撐材料必須是低損耗的、線膨 脹系數(shù)

13、小的、相對(duì)介電常數(shù)低的高強(qiáng)度絕緣材料,如氧化鋁等。在參考文獻(xiàn)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(diào)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(lái)制造。在這樣的條件下來(lái)控制 FTC 是十 分困難的。對(duì)介質(zhì)諧振腔而言,情況就大有改觀。首先,當(dāng)介電常數(shù)為 27以上時(shí),介質(zhì)諧振腔 TE 01的諧振頻率由介質(zhì)材料的尺寸來(lái)決定。 當(dāng)介電常數(shù)小于 27, 雖然不完全由介質(zhì)材料的尺寸 來(lái)決定,但是,它仍是起主導(dǎo)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(fù)以致零 FTC 可供選擇。我們可以通過(guò)估算和實(shí)驗(yàn)來(lái)選用合適 FTC 的材料,達(dá)到控 制介質(zhì)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(zhì)材料的部分特性如表 3所 示。產(chǎn)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(yán)格的配方、特殊復(fù)雜的工藝,是可以制造出零 ppm/的介質(zhì)材料的,當(dāng) 然價(jià)格昂貴,一般來(lái)講, FTC 越小,價(jià)格就越貴。另一方面,盲目選用 FTC 小的介質(zhì)材料,對(duì) 降低濾波器和雙工器的成本極為不利,實(shí)踐證明也無(wú)此必要。只要我們深入分析,從實(shí)踐中

15、總 結(jié)經(jīng)驗(yàn),完全可以用 FTC 較差的介質(zhì)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(xiàn)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(fù),當(dāng)圖 1中的腔體用鋁或用其它金屬材料來(lái)制造時(shí),其腔體的 FTC 仍為負(fù),作為補(bǔ)償,諧振腔內(nèi)的介質(zhì) 材料應(yīng)選具有正 FTC 的,才能控制介質(zhì)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(zhì)載諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中,我們還要關(guān)注有關(guān)的微調(diào)機(jī)構(gòu),因 為微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也能控制濾波器的 FTC 。圖 1(A 中的微調(diào)是用金屬圓片來(lái)實(shí)現(xiàn)的,它的特 點(diǎn)是微調(diào)頻率范圍小,當(dāng)金屬圓片接近介質(zhì)材料時(shí)要產(chǎn)生大的渦流,引起介質(zhì)

16、加載諧振腔的 Q 值下降,損耗要增大;圖 1(B 中的微調(diào)是用同一種材料的介質(zhì)圓片來(lái)實(shí)現(xiàn),其特點(diǎn)是微調(diào)頻 率范圍大,但是,介質(zhì)到微調(diào)圓片的距離與微調(diào)頻率間是非線性關(guān)系,特別是當(dāng)介質(zhì)圓片與介 質(zhì)的距離十分接近時(shí),頻率變化劇烈,控制難度大,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償較為困難;圖 1(C 中的微 調(diào)是用同一種材料的介質(zhì)芯柱來(lái)實(shí)現(xiàn),它能實(shí)現(xiàn)的微調(diào)范圍大,介質(zhì)芯柱到介質(zhì)的距離與微調(diào) 頻率間基本上是線性關(guān)系, 是進(jìn)行溫度補(bǔ)償較為容易的一種結(jié)構(gòu)。 結(jié)合所用的介質(zhì)材料的 FTC , 選用合適線膨脹系數(shù)的金屬或朔料來(lái)制作微調(diào)機(jī)構(gòu)中與介質(zhì)材料連接的螺桿,可以從另一側(cè)面 來(lái)補(bǔ)償濾波器和雙工器 FTC ,有可能采用廉價(jià)的、 FTC

17、 較大的介質(zhì)材料制作出較理想的濾波器 和雙工器。圖 1僅示出介質(zhì)諧振腔的原理。實(shí)際應(yīng)用中,要設(shè)法使介質(zhì)材料的安裝和微調(diào)機(jī)構(gòu)可靠, 實(shí)現(xiàn)既方便生產(chǎn),又便于調(diào)整。為了開(kāi)展介質(zhì)諧振腔濾波器 FTC 的研究,曾設(shè)計(jì)加工了由四介質(zhì)諧振腔組成的、有非臨近 耦合的介質(zhì)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(zhì)材料, 實(shí)驗(yàn)中所用介質(zhì)材料的介電常數(shù)約為 36-40, 它們的支撐材料是高強(qiáng)度、 低損耗的瓷 柱,微調(diào)機(jī)構(gòu)采用圖 1(A 的金屬圓片。表 3 某介質(zhì)材料的特性參數(shù) 把介質(zhì)諧振腔濾波器安裝調(diào)整好后,按照參考文獻(xiàn)介紹的 FTC 測(cè)試方法,測(cè)出不同編號(hào)介質(zhì) 材料的濾波器的

18、 FTC ,表 4列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。從表 4可以看出,材料編號(hào)為 4的材料與腔體的組合較好,介質(zhì)諧振腔濾波器的頻率溫度系 數(shù)為-4.45kHz/。與參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,進(jìn)行推理和判斷,可以肯定:介質(zhì)材料編 號(hào)為 1的頻率溫度系數(shù)應(yīng)該是負(fù) FTC ,因?yàn)檫@些數(shù)值比參考文獻(xiàn)中用鋁工藝制造的雙工器 的頻率溫度系數(shù)還要負(fù)很多,這是沒(méi)能正確選用了介質(zhì)材料的 FTC 所致。從參考文獻(xiàn)的實(shí) 驗(yàn)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(zhì)諧 振腔濾波器的 FTC ,必須選用正 FTC 的介質(zhì)材料才能達(dá)此目的。由于在研究這種濾波器頻率溫 度特性的過(guò)程中,受多種條件限

19、制,我們沒(méi)有能力測(cè)試出每一種介質(zhì)材料的 FTC 。材料 編號(hào) 中心頻率f 0(MHz 濾波器 帶寬 (MHz 10測(cè)試 點(diǎn) f 1 (MHz 70測(cè)試 點(diǎn) 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(shí)驗(yàn)的介質(zhì)諧振腔濾波器的照片在研究介質(zhì)諧振腔濾波器的 FTC 實(shí)踐中，我們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，得到了可喜的結(jié)果。其中一 個(gè)實(shí)驗(yàn)濾波器去掉上蓋板后腔體內(nèi)的實(shí)際情況如圖 2 的照片所示。圖 2 中四個(gè)諧振腔體的尺寸 為 43（寬）×43（長(zhǎng)）×30（深）立方毫米；

20、介質(zhì)材料的介電常數(shù)約為 38，它的尺寸為 21（外 徑）×7（內(nèi)徑）×8（厚）立方毫米；使用的微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖 1（B）所示，其中微調(diào)介質(zhì)圓盤(pán)的 具體尺寸為 19（外徑）×7（內(nèi)徑）×1.5（厚）立方毫米。特殊的地方在于，微調(diào)桿是由黃銅 做成，用尼龍朔料做成螺釘，把用于微調(diào)的介質(zhì)圓盤(pán)與微調(diào)機(jī)構(gòu)做成一體，既便于微調(diào)，又牢 固、 可靠。 這個(gè)濾波器的中心頻率為 2641MHz， 3dB 帶寬為 9.56MHz， 相對(duì)帶寬為千分之 3.62。 圖 3 為在 R/S 公司的網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)得 0的頻率響應(yīng)曲線， 4 為測(cè)得 60的頻率響應(yīng)曲線， 圖 用參考文獻(xiàn)中介紹的

21、方法，測(cè)得這只介質(zhì)諧振腔濾波器上邊帶的 FTC 為：=3.8kHz/和 =1.435ppm/， 測(cè)得下邊帶的 FTC 為=3.5kHz/和=1.328ppm/。 關(guān)于上邊帶 和下邊帶 FTC 不同的分析，見(jiàn)參考文獻(xiàn)。 5 結(jié)論 用在下一代移動(dòng)通信、IFTS、MMDS 和某些電子系統(tǒng)中的濾波器和雙工器要面對(duì)這樣的現(xiàn) 6 實(shí)，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(shí)候，用介質(zhì)諧振腔 濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)它們是一種恰當(dāng)?shù)倪x擇。首先，介質(zhì)諧振腔的無(wú)載 Q 值很高，由它做成的介質(zhì)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(guò)選用低成本的、正頻率溫度系 數(shù)的介質(zhì)材料，采用有補(bǔ)償作用的微調(diào)機(jī)構(gòu)等辦法來(lái)實(shí)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(chǎng)合。文中論及微調(diào)機(jī)構(gòu)溫度特性的分析 和控制 FTC 實(shí)際例子的介紹，對(duì)設(shè)計(jì)這類(lèi)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(xiàng)目編號(hào)為 025211099。 參考文獻(xiàn)