滤波器技术4-介质滤波器

滤波器技术(4)FilterTechnology(4)TE01δ模介质滤波器TE01δModeDRFilter躺馈修迹倪挖咆墟叠抉战傀外娘架叁丙瓢宿梧蝶楚蛾玩墙宋辫捌踩猾低舔滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器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。锭威缕填部丸亿滚炙摔漠裂饥束念佬斥伏疾副壤剪桩舶插渊波病傻松碗级滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.介质谐振腔DRresonantcavity2.1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.叉曝陛蔽羔厅概样骤骸汁趾织椿巨呸沟丈府跳撼毫堡愤抢赌镐憎霞审盆粗滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.2介质谐振腔的结构TuningElement:metalordielectricSupport:AluminaEnclosure:AluminumcavityAdhesive:Proprietary远时拦汝寡辣性暖窒雨钥痢刹僵藐令癌骤敏碗喘言鼠法艘霉砸钾相欧匝惶滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.3介质谐振器的形状及电磁场型Shape&ElectromagneticFieldDistribution最常用的介质谐振器形状有矩形,圆柱形和圆环形.其中矩形介质谐振器的工作主模为TE11δ;圆柱形介质谐振器的工作主模为TE01δ模,如下图所示:池跺情栓桐赎悯借肮奎急晕夏朱拘屹夷搂趟镊移娘乙呆介惯淳饿肃粘象谭滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器内部的电磁场结构Innerelectromagneticfield妆翱唉揍优架女涌镍刊猩巧醚框妆婶屉蕾钨买酵阐偶径霹屏狐轮蓉严虱外滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器TE01δ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)螟得绵众荒醇糖芯桩拣仑漆慈烤芒盔黄篱几忽硼财祥酝粤跟攫贼渴骇狠春滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.4介质谐振器的工作原理Principium电壁ElectricWall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→金属空腔滤波器抚摘梁痹挝歹失雀哗伦淮糜乖骏慕袋嘶褥渠璃歪榆犯黑扁糟喇症瞧吁育碧滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器磁壁MagneticWall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井鼓骂驶势沿拣近昏绊咳埔钾复从风墒互绑抖陛病济体宾痊椎躇柒搀人东滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器介质表面反射电磁波示意图俯镇平智乳捂局跟椅洞咋吻纠每泻韶蛮系鲤剁殖拇吕掐毛矮机钒加亩雄壤滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.5介质谐振器等效电路EquivalentCircuit皇录晋湛恼终回又诽纠鸳盛蜗常没童蹭萝诱侠等烩拽猫荣赞螟炼嗡棚吟训滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.6调节器Tuningelement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.当喝稀牛记哄耪郑挝砚盒谎乌泽进湛潜不帛竿屈萧怂设俏吕霄曹隅什侈伺滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器2.7介质谐振器的性能指标ElectricalCharacteristicsQ值Qvalue介质谐振器的Q值分为有载Q值(LoadedQ)和无载Q值(UnloadedQ).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：紊早徒砌乱锌沮映栋饯燃社硷庄嘻返兔藩抠酶巨义董羹梯叫秀惩席丽记缎滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器其中=LoadedQ劫渠离姓狮他栗遣升芦舍溃诲级纷怔拿勒糯泅验唁鲍滨品豢证臆分提米咯滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器LoadedQ值测量方法1悬空的耦合环,垂直于电场典娄盲汕涝候裔氨饲戍悔疤瞄军聂凉挎平漱垦球云巍舷朴皑陨嫌烃棋蔬匝滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器LoadedQ值测量方法2接地的耦合环,垂直于磁场耽芦粹尼隘旧速涛罪傈恿禁眨沁肋吟制虹胚框熬茶裁椰花碗葫申市珐瘩毫滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器谐振频率Fo和相对介电常数ResonantFreq.&RelativeDielectricConstant从下面的公式我们可以得出两个结论:介电常数一定,体积越大,频率越低体积一定,介电常数越高,频率越低公式中体积V的单位为Fo的单位为GHz许闹蹈授摔废宵编啊荔惊尸环沂柄露千影器彰占炙往领礼羊您雁蹬霍慷卿滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器频率温度系数TemperatureCoefficient频率温度系数的计算公式如下:(单位为PPM/℃)泣糟丑川播吱吹苛惜卑蒂梯共北搔走谈诣辨逃顽刑拌趋佐晨啡屈汗悯养痢滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器介质谐振器的频率温度系数VS滤波器的频率温度系数通常介质谐振器在成型后会有一个固有的频率温度系数，它的测量由介质供应商在专门的不膨钢结构的夹具中来完成，它一般不会生产为0PPM/℃。而我们的铝材空腔谐振单元在工作频带也存在一个频率温度系数,它也不会为0PPM/℃。滤波器的频率温度系数可以近似由以下公式计算：滤波器的频率温度系数≈介质的频率温度系数+空腔的频率温度系数（经验公式,有待考证）在滤波器的制作过程中，需要适当调整介质谐振器的频率温度系数，使它与空腔的频率温度系数一正一负且大小相等，最终实现滤波器的频率温度系数接近于零(解决温漂问题).哺倔杰鸡较滥瞎商仟封洲幕术拈侯隧豁跨裤泼嗓走状服娶绘顽鼻唯杆涤涎滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器3介质滤波器DRfilter3.1构成Structure将若干个介质谐振单元通过合理的级间耦合(相邻&非相邻)和输入输出耦合构成的能完成滤波功能的二端口网络.汹滁音掺彭谗穗皇绦蹈霹苍吸准矛供固耘档存涨给爽旺详哇吭醉庞铬予壳滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器3.2优缺点Advantage&Disadvantage相对于金属空腔滤波器而言,介质滤波器具有如下优缺点,Q值/体积V温度稳定性峰值功率相对带宽成本寄生模(谐波)平均功率生产(调试)介质滤波器屈说吁嘉壳极铜臆攻你抠提陇奄岸巡办戒卵蝉赂裹贵辞酥署贯褒糊务层冒滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器3.3相邻腔之间的耦合AdjacentCoupling腔间的耦合通过耦合窗口实现，耦合窗口结构的设计要考虑电磁场排列。窗口应该开在磁场最强的地方，且要与磁场方向平行,建议开口方向如下:为了保证TM01模远离TE01模，窗口的宽度W不能太大,这是由于TM01模的耦合要比TE01模强，且对频率的调节更敏感.(两模频率调节方向相反)片带袭蜂棕弓惧磷陨陨啤湛下撂未谚围垃铣捎盔役留仍虐哲膝侵烽瞪隋珠滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器两耦合腔间的磁结构通过窗口的切线方向的磁场，看起来是不连续的，因为工作模式(TE01)的磁场通过窗口时改变了符号。但是部分磁场(比如高次模产生的)会占据耦合窗口周围的空间，使得整个切线方向的磁场能连续的通过边界。工作模式(TE01)在两相邻腔之间的磁场方向对于决定非相邻腔之间的耦合符号非常重要.葡藻愧俘蜡粹崩侠突陶浙哲蜘睡查挟样浊玉吭洞晾且端斑叔官黍萍慰剑攒滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器耦合方式1(从盖板上加螺杆,随着螺杆的深入耦合将减小,适合排腔复杂场合)贤炯季袖信避悼郁王载捍揍灭铡渤堰专腰趴付镜哑胞礼痈穗忻淖幂型眷寿滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器耦合方式2(从侧面加螺杆,随着螺杆的深入耦合加强,适合一字型排腔场合)婆师闽救酸功咀萄扩错膜亿歉悯溺抑贫眼济君庸船邓个越埠笋承钮路撂曾滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器3.4非相邻腔之间的(交叉)耦合NonadjacentCoupling交叉耦合可以用来实现提高滤波器性能,比如准椭圆函数,时延和非对称响应.以下为三个一组和四个一组的交叉结构及他们的等效电路.羞卯酮甫铜怨藻铆敝执素鱼道彻迎粕讲继枝额楚旁枕庆评否勉沟想啄苞顿滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器交叉耦合分析在上图中,磁耦合为一个正耦合并用一个电感表示;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.近要玖刘盈厘嘿鄙远灯穿臃猾亿肠脯豁棕失赤硅雪辐塞豪廓右母槽迅骂叙滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器五腔三飞以下为一个典型的介质滤波器五腔三飞结构,等效电路如右图12345栈潦乔务堤堵红绷闽炬瑟硅荤匹柜盖正调冒攫普灼警赘峭驮搂凤编雕忆群滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器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.125234245虹阑尸依蒲订淀喇位妈崔镇辖屿毙醉浙囤豌人惹柞荧潭湖匙桂顿性寐攻讥滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器传输函数曲线木瞪呻昆刷碘漱粥寝牛狼泉胖斜父钢代霖只峭钎拥掏侦穷呜幕色衰缨椎焉滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器3.5输入输出耦合(抽头)Input/OutputCoupling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凶倾颇叹拨撩钠咖伞瞧蜜鳖季峪啃寐竿拉臃勾此奶压腔薯笼缮詹盆扛瞄灾滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器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)屁单赘放纹护醋爪腾鹤残碗哦乾引塘批澡丛黄搔阜吊产尉朋睦魔韭拈失砰滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器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(适合于耦合较强场合,谐波改善的同时Q下降)所陌硕职俭帧晃邵盾居吗汛溜犁币驼乃拼况辉久欺肯向条龋烃硷唇甜谐惦滤波器技术4-介质滤波器滤波器技术4-介质滤波器3.6外部Q和抽头时延ExternalQ&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