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1、濾 波 器 技 術 (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 線 電 通 信 技 術 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 用 到 各 類 通 信 基 站中 , 在 即 將 到 來 的 3G通 信 領 域 擁 有 廣 闊 的 市 場 前 景 。 它 的 研

2、 究與 開 發(fā) ， 是 今 后 濾 波 器 發(fā) 展 的 重 點 之 一 。 2.介 質(zhì) 諧 振 腔 DR resonant cavity2.1 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 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 ，

3、 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 . 2.2 介 質(zhì) 諧 振 腔 的 結(jié) 構Tuning Element: metal or dielectricSupport: AluminaEnclosure: Aluminum cavityAdhesive: Proprietary 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 TE

4、01模 ,如 下 圖 所 示 : 內(nèi) 部 的 電 磁 場 結(jié) 構 Inner electromagnetic field 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 ) 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

5、 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 體 壁 (電 阻 率 為 零 ). 通 過 導 體 壁 圍 成 的 一 個 金 屬 空 腔 ,一 旦 有 適 當 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 理 想 導 體 壁 形 成 的 金 屬 空 腔 金 屬 空 腔 濾 波 器 磁 壁 Magnetic Wall 電 場 的 法 向 方 向 為 零 ,磁 場 的 切 向 方 向 為 零 .它 也

6、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 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 致 提 高 Q值 的 同 時 卻 給 介 質(zhì) 濾 波 器 的 調(diào) 試 帶 來 困 難 介 質(zhì) 表 面 反 射 電 磁 波 示 意 圖 2.5

7、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 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 進 而 調(diào) 整 頻 率 ,最 終 實 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 Electrical Characteristics Q值 Q value 介 質(zhì) 諧 振 器 的 Q值 分 為

8、 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 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 ： 其 中 =

9、Loaded Q Loaded Q值 測 量 方 法 1懸 空 的 耦 合 環(huán) ,垂 直 于 電 場 Loaded Q值 測 量 方 法 2接 地 的 耦 合 環(huán) ,垂 直 于 磁 場 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 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

10、與 其 它 的 腔 體 濾 波 器 比 如 波 導 和 梳 狀線 不 一 樣 ,因 為 工 作 模 式 的 電 磁 分 布 不 一 樣 . 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 ,等 效 電 路 如 右 圖1 2 3 45 上 述 等 效 電 路 可 以 分 解 為 三 個 CT結(jié) 構 : 根 據(jù) 以 往 的 相 位 分 析 法 可 知 ,每 個 CT結(jié) 構 將 在 通 帶 左 端 產(chǎn)生 一 個 零 點 .1 25 2 34 2 45 傳 輸 函 數(shù) 曲 線 3.5 輸 入 輸 出 耦 合 (抽 頭 ) Input/Output Coupli

11、ng 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 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 間距 可 以 調(diào) 整 耦 合 強 弱 .(適 合 于 耦 合 較 弱 場 合 ) 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

12、 降 ) 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 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 系 : bw為 耦 合 帶 寬 ,t為 抽 頭 反 射 時 延 (636.6/ )fo foQe bw t 外 部 Q值 與 耦 合 矩 陣 值 的 關 系BW為 濾

13、 波 器 實 際 帶 寬 ， Ms1為 外 部 與 第 一 腔 的 耦 合矩 陣 值 。 2121 1/( * ), /1/( * ), /SLnQe W M W BW foQen W M W BW fo 由 以 上 兩 公 式 可 以 推 算 出 反 射 時 延 與 耦 合 矩 陣 值 的關 系 2 1 12ln636.6/( * )636.6/( * )Snt BW Mt BW M 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

14、.7.1 諧 振 器 炸 裂 主 要 是 介 質(zhì) 諧 振 器 供 應 商 在 諧 振 器 技 術 上 的 體 現(xiàn) 。 介 質(zhì) 供應 商 ， 應 該 制 造 可 靠 性 非 常 高 的 諧 振 器 ， 選 擇 適 當 的 粘 膠 ，適 當 的 支 撐 柱 設 計 ， 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 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

15、的 熱 傳 導 率 ,在 滿 足 Q的 前 提 下 減 短 支 撐柱 的 高 度 D.改 變 濾 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 . 4.介 質(zhì) 濾 波 器 設 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 置 及 符號 ,耦 合 矩 陣 (系 數(shù) )4.2 通 過 規(guī) 范 要 求 選 擇 合 適 的 級 間 耦 合 方 式 及 輸 入 輸 出 耦 合 方 式4.3 設 計 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 現(xiàn) 級 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