濾波器技術(shù) 介質(zhì)濾波器【知識薈萃】

1、濾波器技術(shù)(4)Filter Technology(4) TE01模介質(zhì)濾波器 TE01 Mode DR Filter,1,行業(yè)重點,1.發(fā)展背景 Background,由于無線電通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、更有效、高品質(zhì)的無線通信收發(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)展的重點之一。,2,行業(yè)重點,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

2、鋇，鋯酸鹽，鈦酸鋯錫等）經(jīng)混合高溫燒結(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)相對于諧振器來說很低的介質(zhì)材料，通常我們使用的是Al203 .,3,行業(yè)重點,2.2 介質(zhì)諧振腔的結(jié)構(gòu)Tuning Element: metal or dielectricSupport: AluminaEnclosure: Aluminum cavityAdhesive: Proprietary,4,行業(yè)重點,2.3 介質(zhì)諧振器的形狀及電磁場型 Shape 圓柱形介質(zhì)諧振器的工作主模為TE0

3、1模,如下圖所示:,5,行業(yè)重點,內(nèi)部的電磁場結(jié)構(gòu) Inner electromagnetic field,6,行業(yè)重點,TE01模介質(zhì)諧振器實物照片 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, 方便安裝 ),7,行業(yè)重點,2.4 介質(zhì)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(chǎn)生完全反射,沒有透射波穿過電壁. 經(jīng)典的電壁為理想導(dǎo)體壁(電阻率為零). 通過導(dǎo)體壁圍成的一個金屬空腔,一旦有適當頻率的

4、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. 非理想導(dǎo)體壁形成的金屬空腔 金屬空腔濾波器,8,行業(yè)重點,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(chǎn)生完全反射,沒有透射波穿過磁壁. 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值的同時卻給介質(zhì)濾波器的調(diào)試帶來困難,9,行業(yè)重點,介質(zhì)表面反射電磁波示意圖,10,行業(yè)重點,2.5 介質(zhì)諧振器等效電路 Equivalent

5、Circuit,11,行業(yè)重點,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,也可以為介質(zhì).通過調(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結(jié)構(gòu)進而調(diào)整頻率,最終實現(xiàn)特定的濾波器傳輸特性.,12,行業(yè)重點,2.7 介質(zhì)諧振器的性能指標 Electrical Characteristics,Q值 Q value 介質(zhì)諧振器的Q值分為有載Q值(Loaded Q)和無載Q值(Unloaded Q). 無載Q值是介質(zhì)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(zhì)諧振器性能的一個指標，通常我們在實際的測量過程中得

6、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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：,13,行業(yè)重點,其中 =Loaded Q,14,行業(yè)重點,Loaded Q值測量方法1懸空的耦合環(huán),垂直于電場,15,行業(yè)重點,Loaded Q值測量方法2接地的耦合環(huán),垂直于磁場,16,行業(yè)重點,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(jié)構(gòu)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(dǎo)和梳狀線不一樣,因為工

7、作模式的電磁分布不一樣.,27,行業(yè)重點,五腔三飛,以下為一個典型的介質(zhì)濾波器五腔三飛結(jié)構(gòu),等效電路如右圖,1,2,3,4,5,28,行業(yè)重點,上述等效電路可以分解為三個CT結(jié)構(gòu):,根據(jù)以往的相位分析法可知,每個CT結(jié)構(gòu)將在通帶左端產(chǎn)生一個零點.,1,2,5,2,3,4,2,4,5,29,行業(yè)重點,傳輸函數(shù)曲線,30,行業(yè)重點,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 耦合強弱,31,行業(yè)重點,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)整抽頭對地高或金屬柱與介質(zhì)諧振器的

8、間距可以調(diào)整耦合強弱.(適合于耦合較弱場合),32,行業(yè)重點,金屬空腔耦合,輸入輸出為一個與介質(zhì)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),33,行業(yè)重點,3.6 外部Q和抽頭時延 External Q & Delay,在實際的濾波器調(diào)試中,如果能將抽頭的外部Q值(或時延和 相位)調(diào)到理論理, 通帶就可以很容易地升起來了,也不需要反復(fù)地” cut and try”. 特別是調(diào)試介質(zhì)濾波器的時候. 外部Q值與抽頭反射時延關(guān)系: bw為耦合帶寬,t為抽頭反射時延,34,行業(yè)重點,外部Q值與耦合矩陣值的關(guān)系BW為濾波器實際帶寬，Ms1為外部與第一腔的耦合矩陣值。,35,行業(yè)

9、重點,由以上兩公式可以推算出反射時延與耦合矩陣值的關(guān)系,36,行業(yè)重點,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(zhì)諧振器供應(yīng)商在諧振器技術(shù)上的體現(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?shù)恼衬z，適當?shù)闹沃O(shè)計，優(yōu)良的制造、粘結(jié)工藝。,37,行業(yè)重點,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(zhì)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(dǎo)率,在滿足Q的前提下減短支撐柱的高度,38,行業(yè)重點,D.改變?yōu)V波器內(nèi)部的交叉耦合,以下兩種方案中,采用對稱交叉耦合的方案佳.,39,行業(yè)重點,4.介質(zhì)濾波器設(shè)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