腔体滤波器设计解析

腔体滤波器的分析与设计边登峰[e-mail]2005-3-27AllrizonCommunicationCorpOutline腔体滤波器的设计流程腔体滤波器的设计相关的基本理论Q值分析和测试交叉耦合的功能和使用温度对产品的影响EDA设计工具的使用Q&A2005-3-27AllrizonCommunicationCorp腔体滤波器的设计流程分析客户指标，结合机械结构初步确定谐振级数和Q值及零点个数确定电路模型及拓扑结构通过平面电路设计得到归一化耦合矩阵Mii及输入输出阻抗特性(使用工具为TouchStone或Cleod)机械结构设计验证上述电气指标设计特别是拓扑结构的可行性，最终确定谐振级数和Q值利用双腔本征模三维模型确定谐振铜管尺寸并计算耦合系数K值（使用工具为CST)将计算出的K值同Mii相结合准确计算出谐振器间的窗口大小（使用工具为CST)出设计图纸并调试，优化设计并作最终记录2005-3-27AllrizonCommunicationCorp腔体滤波器的基本理论电路模型2005-3-27AllrizonCommunicationCorp耦合谐振滤波器最基本的耦合结构馈源只与一个谐振器耦合，负载端仅与一个谐振器耦合，且中间只有一条耦合路径即主路径，各级谐振器之间逐级耦合。2005-3-27AllrizonCommunicationCorp梳状线滤波器结构示意图注意：接地良好与否直接影响性能！2005-3-27AllrizonCommunicationCorp电路原理图2005-3-27AllrizonCommunicationCorp场分布2005-3-27AllrizonCommunicationCorp电场分布：越靠近腔体顶部越强磁场分布：越靠近腔体底部越强总体来讲：谐振器间以磁耦合为主，窗口开得越大，调节螺钉深得越靠近底部则耦合越大，反之耦合越小。在仿真计算中，TouchStone中的Mii和CST中的K值都是表征谐振器间的耦合系数，也是我们在仿真计算过程中遇到的最主要的参数，它直接影响我们最终的机械设计和产品性能。2005-3-27AllrizonCommunicationCorp决定谐振频率的因素LCf/102005-3-27AllrizonCommunicationCorp1.谐振频率同波长成反比。频率越高单腔尺寸越小，频率越低单腔尺寸越大2.L同谐振杆的尺寸密切相关。谐振杆越长越细，L越大，频率越低；谐振杆越短越粗，L越小，频率越高3.C可用谐振杆与盖板的间隙大小和谐振杆的法兰盘大小来反映。法兰盘越大间隙越小则C越大，频率越低；反之则C越小，频率越高2005-3-27AllrizonCommunicationCorp谐振器间的耦合是由平行耦合线间的边缘场得到在无集总电容C的情况下，谐振线应是1/4波长（中心频率），此时该结构是无通带的全阻带结构通常谐振在大约1/8波长或更短以减少滤波器的尺寸谐振器可用矩形杆或圆杆，方腔圆杆的阻抗计算公式：Z=(60/er^0.5)ln(1.0787b/a)er：相对介电常数b:方腔的边长a:谐振杆的直径通常b/a约为3以实现Q值最优2005-3-27AllrizonCommunicationCorp基本概念1.窄带滤波器的相对带宽：BW=(f2-f1)/f0f1，f2分别是通带的起止频率f0是通带中心频率窄带滤波器的相对带宽一般在20%以下2.几个概念的辨析：dB，dBm，dBc2005-3-27AllrizonCommunicationCorp概念辨析dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）[例]甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB。2005-3-27AllrizonCommunicationCorpdBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。[例1]如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。[例2]对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。2005-3-27AllrizonCommunicationCorpdBc也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（如互调干扰、交调干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。如通带插损为1dB,带外隔离为91dB,则隔离度为90dBc.2005-3-27AllrizonCommunicationCorpMeasuringS-ParametersS11=ReflectedIncident=b1a1a2=0S21=TransmittedIncident=b2a1a2=0S22=ReflectedIncident=b2a2a1=0S12=TransmittedIncident=b1a2a1=0IncidentTransmittedS21S11Reflectedb1a1b2Z0Loada2=0DUTForwardIncidentTransmittedS12S22Reflectedb2a2ba1=0DUTZ0LoadReverse12005-3-27AllrizonCommunicationCorpS-ParameterswithCommonMeasurementTermsS11=forwardreflectioncoefficient(inputmatch)S22=reversereflectioncoefficient(outputmatch)S21=forwardtransmissioncoefficient(gainorloss)S12=reversetransmissioncoefficient(isolation)Remember,S-parametersareinherentlycomplex,linearquantities--however,weoftenexpresstheminalog-magnitudeformat2005-3-27AllrizonCommunicationCorpLightwaveAnalogytoRFEnergyRFIncidentReflectedTransmittedLightwaveDUT2005-3-27AllrizonCommunicationCorpHigh-FrequencyDeviceCharacterizationTransmittedIncidentTRANSMISSIONGain/LossS-ParametersS21,S12GroupDelayTransmissionCoefficientInsertionPhaseReflectedIncidentREFLECTIONSWRS-ParametersS11,S22ReflectionCoefficientImpedance,AdmittanceR+jX,G+jBReturnLossG,rT,tIncidentReflectedTransmittedRBAAR=BR=2005-3-27AllrizonCommunicationCorpTransmissionLineTerminatedwithZoForreflection,atransmissionlineterminatedinZobehaveslikeaninfinitelylongtransmissionlineZs=ZoZoVrefl=0!(alltheincidentpowerisabsorbedintheload)VincZo=characteristicimpedanceoftransmissionline2005-3-27AllrizonCommunicationCorpTransmissionLineTerminatedwithShort,OpenZs=ZoVreflVincForreflection,atransmissionlineterminatedinashortoropenreflectsallpowerbacktosourceIn-phase(0o)foropen,out-of-phase(180o)forshort2005-3-27AllrizonCommunicationCorpReflectionParametersdBNoreflection(ZL=Zo)rRLVSWR01Fullreflection(ZL=open,short)0dB1=ZL-ZOZL+OZReflectionCoefficient=VreflectedVincident=rFG=rGReturnloss=-20log(r),VoltageStandingWaveRatioVSWR=EmaxEmin=1+r1-rEmaxEmin2005-3-27AllrizonCommunicationCorpTransmissionParametersVTransmittedVIncidentTransmissionCoefficient=T=VTransmittedVIncident=tDUTGain(dB)=20LogVTransVInc=20logtInsertionLoss(dB)=-20LogVTransVInc=-20logt2005-3-27AllrizonCommunicationCorpGroupDelayinradiansinradians/secindegreesfinHertz(w2pf)wGroupDelay(t)g=-ddw=-1360oddf*FrequencyGroupdelayrippleAveragedelaytotgPhaseDFrequencyDwwgroup-delayrippleindicatesphasedistortionaveragedelayindicateselectricallengthofDUTapertureofmeasurementisveryimportant2005-3-27AllrizonCommunicationCorp标准史密斯圆图(SmithChart)ABC阻抗圆图:1.短路点A(-1,0)2.开路点C(1,0)3.匹配点B(0,0)导纳圆图:1.短路点C(-1,0)2.开路点A(1,0)3.匹配点B(0,0)传向波源的波长传向负载的波长2005-3-27AllrizonCommunicationCorp2005-3-27AllrizonCommunicationCorp2005-3-27AllrizonCommunicationCorp2005-3-27AllrizonCommunicationCorpQ值分析与测试Q值分析示意图谐振回路ZLQ值是表示谐振回路平均储能和损耗大小的量度储能大损耗小意味着Q值高2005-3-27AllrizonCommunicationCorp为什么我们用铝腔和铜管并且腔体要镀银呢？这对产品的Q值有什么影响呢？世界上导电性能最好的三种金属银，铜，铝2005-3-27AllrizonCommunicationCorpQ值同单腔的体积和表面积有关体积越大则单腔储存的电磁能越大，表面积越小则单腔的损耗就越小，Q值就越大，反之Q越小。Q值对设计的启发：谐振铜管之间的耦合窗口尽量开大，这样单腔的表面积会减少，单腔体积也会无形中有所增加2005-3-27AllrizonCommunicationCorpQ值分析(1/QL)=(1/Qu)+(1/Qe)QL:有载Q值（实际测试的值）Qu:无载Q值（最终需要的值，这是腔体的固有性质）Qe:外部Q值（实际存在的外部耦合产生的值）