单模介质滤波器技术总结(加强版).doc

TE01模式介质谐振滤波器技术总结一、前言由于无线电通信技术的发展，低费用、更有效、更好品质的无线通信系统需要高性能,小体积和低损耗的腔体滤波器。介质谐振滤波器由于其体积小，性能好目前已经逐渐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所在。1.1 TE01模介质谐振器的工作原理电磁壁理论理想的导体壁（电磁率为零）在电磁理论中称为电壁，在电壁上，电场的切向分量为零，磁场的法向分量为零。电磁波入射到电壁上，将会完全反射回来，没有透射波穿透电壁。因此，用电壁围成一个封闭腔，一旦有适当频率的电磁波馈入，波将在腔的电壁上来回反射，在腔内形成电磁驻波，发生电磁谐振。此时即使外部停止向腔内馈送能量，已建立起来的电磁振荡仍将无衰减维持下去。可见电壁空腔是一种谐振器，电磁能量按一定频率在其中振荡。当然，非理想导体壁构成的空腔，也具有电壁空腔的类似特性，只不过外部停止馈送能量后，起内部已建立起来的电磁振荡，不会长期地维持下去，将随时间而逐渐衰减，终于消逝，成为阻尼振荡。谐振器中电磁振荡维持的时间的长短（时间常数）是其Q值高低的一种度量。高介电常数的介质的界面能使电磁波发生完全的或者近似完全的反射。当然，这两类的界面性质不同，其对电磁波的反射特性也不尽相同。电磁波在导体壁上的电场切向分量为零，故入射波与反射波的电场切向分量相消，仅有法向分量，因为合成场的电力线垂直导体表面，亦即垂直电壁；而在高介电常数的介质界面上，磁场的切向分量近似为零，入射波与反射波的磁场切向分量近似相消，合成场的磁力线近似垂直于介质界面。在电磁场理论中，垂直于磁力线的壁称为磁壁，故高介电常数的介质表面可以近似看为磁壁，只有时，才是真正的磁壁。在磁壁上，磁场切向分量为零，电场法向分量为零，它与电壁对偶。既然电壁所构成的空腔可以作为微波谐振器，显然，磁壁周围的介质块可以近似是个磁谐振器，电磁能量在介质块内振荡，不会穿过磁壁泄露到空气里。介质波导理论若将一个介质棒变成一个环，令其首尾相连接，并使连接处电磁波有相同相位，该电磁波就能在环内循环传输，成为一个行波环。如果介质损耗非常小，循环时间就很长，于是电磁波被“禁锢”在介质环内，成为一个环形介质谐振器。介质环的最小平均周长，应该是被导波的一个波导波长。上述的谐振条件并未对介质环的形状加以任何限制，所以环可以是圆的，方的或者其他任意形状。此外，环的内径大小对谐振来说也不是实质性的，内径缩小至零，照样能维持谐振，储存电磁能量 。最常用的介质谐振器的形状有矩形，圆柱形和圆环形三种，前两种用的更普遍。矩形介质谐振器的工作模式主模是TE11d模，圆柱形的有TE01d模。图中就是两种谐振器的振荡模式。1.2 介质谐振器的材料微波介质材料是指在微波频率下使用的介质材料。微波介质材料对原材料的要求比较高，要获得高质量的材料须严格按照生产工艺操作。微波介质器件是指应用微波介质材料制成的具有某种功能的器件。常见的是介质谐振器、介质滤波器、介质无线块。 TE模介质谐振器由高Q值、低损耗和高介电常数的介质材料烧结而成，鉴于9186397x系列的特殊性，还要求介质谐振器具有适宜的频率温度系数且能够承受较高的功率。若干介质谐振器在截止波导中通过一定的耦合方式级联，辅以适宜的输入输出耦合方式和交叉耦合形成TE模介质滤波器。当输入信号频率靠近介质谐振器的谐振频率时能低损耗通过，而远离谐振频率的信号则被衰减。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的介质材料，目前我们使用的是Al203.1.3介质谐振器的几种主要结构及尺寸类型模式形状尺寸适用频率（1）介质谐振器SHF频率3GHz（2）同轴谐振腔UHF频率16000,Tf=01ppm.数目6个,考虑到将采用金属调节盘进行调节，所以确认频率比通带中心频率低7.5MHz，保证一定的调节范围,规范书中应该注明对谐振器的功率要求。6、 进行介质样品采购选择技术成熟的供应商，发规范书，及测试单腔夹具。早期从供应商处得到介质精确尺寸，进行窗口结构仿真，并机加工腔体。7、 实际测试、调试用单腔测试谐振器Qu 及Tf,并将结果反馈供应商作为下一步的Tf调整的依据。在保证谐振器尺寸不变的情况下，重新进行介质样品采购，此次样品采购将获得最合适的介质温度系数。通过放射时延法订制抽头形状及尺寸，通过测量耦合带宽的方法对各个窗口大小进行修正，最终得到最适宜的尺寸。8、 对新到样品，测试调试.对新样品进行单腔测试，如不合格立即重新采购，如没问题即可装配整机进行各项测试。9、 常温图形：九设计实例二 此处以 335的设计过程为例。1客户规范要求 ItemSpecificationPassband2110.6-2129.4MHZInsertion Loss 2110.6-2115.6MHZ 1.2dB2115.6-2129.4MHZ 0.75dBPassband Ripple2110.6-2115.6MHZ 0.8dB2115.6-2129.4MHZ 0.6dBReturn Loss2111.1-2129.4MHZ 18dB2110.6-2111.1MHZ 12dBRejection:1920-1940MHZ70dB1940-1980MHZ60 dBDC-1785MHZ60 dB1785-1895MHZ30 dB1895-1920MHZ60 dB1940-2109MHZ15 dB2131-2500MHZ15 dB4220-4260MHZ30 dB6330-6390MHZ30 dBGroup Delay Ripple:acrossband150nsAny Contiguous 1.25MHZ75nsPower test:Peak-Peak6000WAverage 250W2仿真结果分析从规范可以看出，滤波器的通带带宽为18.8MHz，带外1.6MHz外要求抑制为15dB, 带内插损分段要求，分别为1.2dB和0.75dB。根据仿真结果，单腔Q值要求至少为13000。仿真结果如下：Order: 7 center frequency:2120MHZReturn Loss: 25 dB ripple bandwidth: 19.6MHZFinite transmission zeros(MHZ):2109,2131 单腔Q值：13000 通过仿真可以看出，完成规范所示指标滤波器需要7个腔，单腔Q值要求至少为13000。受限于滤波器的结构限制，采用金属空腔的话，Q值将很难达到，只能采用高Q值介质谐振器；另外要求一个容飞和一个感飞，考虑到平均功率的要求，设计为对称飞的形式；抽头采取环耦合的形式，由于在4G和6G有谐波要求，我们滤波器的一端又引入了低通滤波器。3介质谐振器的选择和采购 除介质谐振器的Q值要求至少为13000外，对频率和它的频率温度系数也有要求。由于滤波器采用简易的金属盘调节，介质谐振器本身的频率应低于中心频率，而且每一个腔的介质谐振频率不尽相同（由于受到窗口、飞杆和抽头的影响，以及保证调节螺杆不至于进得太深而窜入了其它谐振模式）。实验结果得出7个介质谐振器的谐振频率顺序分别为：2080MHz，2110MHz，2100MHz，2120MHz，2120MHz，2120MHz，2080MHz 在谐振器的频率温度系数要求方面，由于我们能够允许的滤波器通带频率偏移为0100KHz，且在一定的单腔下，谐振器与腔体盖板之间在高低温下存在一个配合的问题，对于首次送样我们只能要求频率温度系数为一个大约值，我们选择了0.95 PPMC。根据它们在我们单腔内的温度测试结果，对频率温度曲线进行分析后得出，此频率温度系数偏小，应改为1.5PPM/C。通过最后实验得出，此频率温度系数引起的滤波器通带整体偏移非常小。4窗口尺寸的确定 介质谐振器的尺寸和腔体单腔之间的间距确定后，就可以根据耦合系数来进行窗口尺寸的仿真。由于我们选择的排腔方式为折线型，窗口排列宜采用磁耦合的方式来进行，即耦合螺杆在盖板上。5抽头耦合方式的选择 滤波器通带带宽为18.8MHz, 抽头与介质谐振器的耦合要求较强，宜采用镰刀型环耦合方式，根据仿真要求抽头时延值要求为30ns,在实际的调试过程中反复调整抽头与介质谐振器的间距，来使S11或S22的时延值为30ns.6. 平均功率的解决 介质谐振器在250W的平均功率冲击下会发热导致频率产生偏移，为了控制这种频率偏移，除了合理选择支撑柱尺寸及散热外，对介质材料也需要进行分析。通过实验得出，不同介质材料的谐振器对平均功率的敏感程度也不尽相同，可以要求供应商对材料进行筛选，来满足我们的平均功率要求。7调试 由于级间耦合采用磁耦合，在调试的过程中耦合螺杆对曲线的影响不是很明显，