同轴腔体滤波器的温度补偿
设计
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nformation&c.mmCal,ons 摘要:同轴腔体滤波器温度补偿设计的主旨思想就是通过 改变谐振杆,调谐螺钉以及腔体之间的开路电容来补偿谐 振杆长度变化带来的影响,使谐振频率近似为常量.设计出 一
种带宽为2496MHz-2602MHz的椭圆型带通滤波器,经 过测试,温度补偿令人满意.
关键词:同轴腔体滤波器.椭圆型滤波器.温度补偿.CST 软件
中图分类号:TN713文献标识码:A
文章编号:1673一l131(2009)03—014—03
一
,引言
现代无线通信系统的迅速发展,使得频谱资源非常的 紧张.这就要求尽量缩窄信道之间的保护频带最大限度 地利用频谱资源.这也对无线系统中滤波器的选择性提出 了更高的要求,同时也就要求滤波器拥有良好的温度稳定 性.过去,一般采用实验的方法来设计滤波器的温度补偿问 题.现在,随着电磁仿真软件技术的快速发展.可以通过其 准确的建模和仿真,来提高设计的准确性,加快设计时间和 降低研发成本.
在设计中,首先建立腔体滤波器的模型.
分析
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出影响温 度稳定性的各个因素,探讨出合适的补偿方法.再利用电磁 仿真软件CST计算出单个谐振器的谐振频率,从而归纳出谐 振杆等效温度系数与谐振频率,调谐螺钉深度的关系.分析 出最佳的设计
方案
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.最后以实例说明此种方法的优越性.
二,腔体滤波器的温度补偿原理
同轴腔体滤波器由于结构紧凑,无载Q值高.在现代通
信系统中被广泛采用.所谓同轴腔体滤波器的温度特性主
要是由制造滤波器各个零件的材料温度特性决定的.采用
低热膨胀系数的材料,滤波器可以获得良好的温度特性,但
同时也会带来高额的制造成本.
表
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1是一些常用金属的热膨
胀系数.实际中,通常采用低成本的材料,正确地设计和制
作出理想温度特性的滤波器.
材料名称膨胀系数(ppm/~2)
殷钢O.9
钛8.5
410#不锈钢l0.2
10#钢l2
黄铜l6
7075#铝24
表1
图1
Abstact:Thebasicideaofthetemperaturecompensationforacoxial--cavityfilteristoprovide
achangeoftheopen—-end
capacitance,formedbetweentherodandthetuningscrewaswellasthebox,tocompensatefort
hechangeoftheresonato
rodlengthsothattheresonantfrequencyremainsnearlyconstant.Aellipticalband—passfilterfrom2496MHzto2602MHz isdesignedandtestedsatisfactorytemperaturecompensationisobtained.
Keywords:coxial-cavityfilter,ellipticalfilter,temperaturecompensation.CST
14羹麟,主凯向釉睦体滤波嘉酌温度偿设讦一…,………
单个谐振器单元结构如图1.随着温度的改变,谐振器
单元中各个尺寸也会发生变化,从而导致谐振频率的变化.
例如当温度上升时,Hrl的增大使得谐振频率降低.而H的 变化则使得频率升高.这就告诉我们通过改变谐振器与调 谐螺钉间的开路电容,可以很好地补偿谐振器长度变化带 来的影响.
首先我们设定Th是腔体材料的热膨胀系数,Tr是谐振 杆材料的热膨胀系数,Ts是调谐螺钉材料的热膨胀系数. 谐振杆可以采用一种材料,也可以是两种不同材料的零件 组合而成.当采用两种不同材料组合而成时,整个谐振器的 等效膨胀r与两种材料的属性和长度有以下关系: TrHr=-T订Hr1+r2Hr2(式一)
Trl,Tr2分别对应两种不同材料的热膨胀系数;Hrl, Hr2分别为两种不同材料制出的谐振杆零件高度,它们的直 径是相同的:Hr是谐振杆的总高度.通过不同的材料及不同 的尺寸比例,根据式一,我们可以获得多种谐振杆等效热膨 胀系数.
CSTMicrowaveStudio是为快速.精确仿真电磁场高 频问题而专门开发的EDA_I具.利用它,我们能够准确地得 到单个谐振器的谐振频率随调谐螺钉变化的曲线.根据温 度变化量和材料的热膨胀系数我们可以算出谐振器单元内 各主要尺寸的变化量.同时再根据这些尺寸利用CST计算 出相应的频率变化量.然后可以将这些数据转化为谐振器 等效温度系数随频率及调谐螺钉深度变化关系曲线,如图 2.对应图2的谐振器腔体尺寸是40+40*30mm:谐振杆高度 27ram,
半径6.7mm;调谐螺钉规格是M5.谐振杆分别采用 10#钢和殷钢制作,调谐螺钉和腔体分别采用黄铜,7075# 铝.从中我们可以发现当谐振螺钉落在谐振杆外时,如果 增加调谐螺钉深度即增~I]Hs,整个谐振器的等效温度系 数将开始下降,甚至是负值.当调谐螺钉伸入谐振杆内时,
等效温度系数将会上升.这也就是说,对于给定尺寸的谐 蓦
二
工
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舌
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调谐螺钉长度Hs(一n)
图2
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调谐螺钉长度Hs(nn)
图3
振器.我们可以在两个谐振频率上获得极好的温度补偿效 果.当选择螺钉处于谐振杆外时设计滤波器.可以获得较高 的Q值而选择螺钉进入谐振杆内时设计滤波器.它可以获 得更加紧凑的结构.
三,设计实例
现在我们采用上述的方法设计一只8级椭圆型滤波器 的温度补偿.这个滤波器的腔体采用7075#铝制作.调谐
螺钉采用黄铜.内部的电耦合通过耦合棒来实现,而磁耦 合通过耦合窗口,并用调谐螺钉实现微调.滤波器带宽是 2496~2602MHz.为了提高谐振器的无载Q值最大限度地降 低滤波器通带内差损,我们选择调谐螺钉在谐振杆外进行 温度补偿设计.单个谐振腔尺寸为2221+19.5ram.谐振杆 直径6ram,调谐螺钉规格是M4.图3是该单元谐振器的等 效温度系数仿真图.从曲线中.我们可以发现:当谐振杆等 效热膨胀系数在时,在中心频率2555MHz左右可以获得较 好的温度特性.所以设计出谐振杆是由铝制成的2mm谐振 杆和10??钢制成的14.5ram谐振杆组合而成.这样可以使谐 振杆等效热膨胀系数在12ppm/.c左右.图4与图5是该滤波 器分别在25.C和80?状态下的$21及S11曲线.从边带的抑 制点我们可以计算出该滤波器在25~80.c内的频率漂移大 约是一500kHz(负号表示在温度升高时,频率向下偏移).对 应温度系数是-3.55ppm/.C,这只滤波器的温度稳定性是非 常理想的.
四,结论
利用先进的全波仿真软件对单个谐振器的谐振频率随 温度变化量进行计算,得出准确的谐振器等效温度系数与 频率的关系曲线,再选择好合适的谐振杆制作材料,可以迅 速准确地设计出具有良好温度特性的同轴腔体滤波器. _一瞰15
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communications
图4(+25?)
图5(+80?)
参考文献
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作者简介
王凯(1978一),男,汉族.合肥工业大学工程硕士,方向
为无线通信系统.
(上接第13页)
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作者介绍
王磊(1984一),男,湖北恩施人,硕士,主要研究方向 为控制理论与控制工程,
刘振兴(1965一),男,湖南桃江人,教授,博士,主要研 究方向为控制理论及应用,新型电力传动系统,故障诊断 技术与应用以及信号与信息处理.
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