馮文文++李磊++王惠生

摘 要： 為了減小腔體濾波器隨溫度變化對性能的影響，利用CST仿真軟件對腔體濾波器進行溫度分析，并結(jié)合ADS軟件對該濾波器進行模擬，得出60 ℃溫差下的幅相變化數(shù)據(jù)和頻漂數(shù)據(jù)。設(shè)計了一個采用雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的濾波器，該濾波器盒體為鋁合金材料，諧振桿和調(diào)諧螺釘為殷鋼。通過分析溫度試驗中誤差的影響因素，提出一種較小誤差的溫度試驗方法，并對調(diào)試好的濾波器進行溫度試驗，試驗結(jié)果顯示該濾波器的頻漂為5.6 ppm/℃，試驗數(shù)據(jù)跟仿真結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞： 腔體濾波器； 溫度補償； 殷鋼諧振器； 溫度試驗

中圖分類號： TN911?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0131?03

0 引 言

微波濾波器廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。通常情況下，微波濾波器要在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，濾波器由于諧振腔的熱脹冷縮，其諧振頻率會產(chǎn)生變化，由此可能導(dǎo)致濾波器駐波比變大，損耗增加，相位出現(xiàn)偏移等情況，也就是常說的溫度漂移現(xiàn)象。如果溫度漂移引起的幅相變化超過某一數(shù)值，將會影響信號的傳輸質(zhì)量。因此對微波濾波器進行溫度補償非常必要。濾波器溫度補償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，文獻[1]通過一個可以隨溫度自動調(diào)整的諧振桿，來保證諧振桿跟腔體之間的電容不變，以進行溫度補償；文獻[2]使用形狀記憶合金制作的彈簧裝置進行溫度補償；文獻[3?4]利用介質(zhì)材料與金屬材料相反的熱膨脹系數(shù)對諧振腔進行溫度補償；文獻[5]選用不同溫度系數(shù)的材料，使材料溫度變化對諧振頻率的影響相互抵消。

綜合考慮加工、成本、可靠性等因素，本文利用CST仿真軟件，采用雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化諧振腔各部分的尺寸參數(shù)[6]，設(shè)計了一個外腔體用鋁材，諧振桿用殷鋼的濾波器，并利用ADS仿真軟件計算出窄帶濾波器的溫度特性。同時，本文將溫度試驗方法進行了改進，減小了試驗誤差。濾波器溫度試驗結(jié)果表明該濾波器的溫度漂移特性跟仿真結(jié)果吻合。

1 溫度補償設(shè)計方法

1.1 諧振腔模型

在CST仿真軟件中，建立濾波器諧振器的三維模型，假定諧振器各尺寸都是按照熱脹系數(shù)線性膨脹，由于諧振器的形變量極小，為了保證計算精度，設(shè)置較寬的溫度范圍，CST中諧振腔模型如圖1所示。將殷鋼的熱脹系數(shù)1.3 ppm/℃和鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)24 ppm/℃，代入諧振器模型，分別計算腔體和內(nèi)導(dǎo)體為鋁材、腔體為鋁材內(nèi)導(dǎo)體為殷鋼、腔體和內(nèi)導(dǎo)體都是殷鋼，這三種情況下諧振器的頻率變化如圖2所示。

圖1 CST中諧振腔模型

圖2 諧振器諧振頻率隨溫度的相對變化量

由圖2可知，如果腔體和內(nèi)導(dǎo)體都用鋁材的諧振頻率變化量為25 ppm/℃，腔體和內(nèi)導(dǎo)體都用殷鋼的諧振頻率變化量為1.5 ppm/℃，腔體用鋁材內(nèi)導(dǎo)體用殷鋼的諧振頻率變化量為5 ppm/℃?？梢钥闯鲋C振器用鋁材內(nèi)導(dǎo)體用殷鋼的諧振器可以起到很好的溫度特性。

1.2 耦合系數(shù)變化模型

按照鋁材的溫度膨脹系數(shù)計算雙腔諧振器的奇偶模頻率，利用公式：[k=f22-f12f22+f12]，可得出諧振腔隨溫變化時耦合系數(shù)的變化曲線，如圖3所示，耦合系數(shù)的變化量很小，即使全鋁材的諧振腔，耦合系數(shù)的變化量都小于1 ppm/℃。

圖3 耦合系數(shù)隨溫度的變化曲線

1.3 ADS中溫度變化仿真結(jié)果

將諧振器的頻率變化情況和耦合系數(shù)變化情況代入ADS濾波器模型，可以得出濾波器在溫度變化時的幅相變化曲線。由于濾波器幅度變化很小，僅給出溫差60 ℃的曲線，如圖4所示。

從圖5可以看出，該濾波器在溫差60 ℃時幅度變化量約為0.05 dB，相位變化約8°，通過數(shù)據(jù)擬合可以計算出濾波器的頻漂約為6.3 ppm/℃。

圖4 工作頻帶內(nèi)的幅度差（溫差60 ℃）

圖5 濾波器隨溫度變化時的相位差

2 溫度試驗

試驗是驗證設(shè)計結(jié)果的重要環(huán)節(jié)，由于濾波器隨溫度變化引起的幅相變化量較小，在進行環(huán)境試驗時必須考慮誤差的影響。試驗過程中產(chǎn)生的誤差主要是由測試系統(tǒng)誤差和計算精度誤差等誤差項引起的，其中測試系統(tǒng)誤差包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量精度，高低溫箱的控溫精度和溫箱內(nèi)溫度的均勻程度等方面。其中最主要的試驗誤差是測試電纜組件引起的試驗誤差，為了減小測試電纜組件引起的幅相誤差，在溫度試驗前應(yīng)先將測試電纜組件的隨溫度特性記錄下來，然后在保證溫度箱中的電纜長度和形狀不變的情況下，再接入待測濾波器進行溫度試驗。同時矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置更多的測試頻率點，盡量縮短溫箱內(nèi)測試電纜的長度，溫箱溫度到達(dá)某一溫度時要保溫半個小時以上，通過以上方法盡量減小測試系統(tǒng)的誤差。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

將溫度試驗中的測試數(shù)據(jù)進行處理后可以得出幅相數(shù)據(jù)如表1所示，濾波器在-30～60 ℃的范圍的幅相變化曲線如圖6和圖7所示，其相位變化（以15 ℃時的相位歸零）在整個溫度范圍內(nèi)小于8.7°，幅度變化小于0.17 dB，利用數(shù)據(jù)擬合求得該濾波器的頻率漂移為5.6 ppm/℃，跟ADS仿真數(shù)據(jù)吻合很好。

表1 濾波器溫度試驗數(shù)據(jù)

圖6 濾波器溫度試驗時相位變化曲線

4 結(jié) 語

窄帶濾波器在設(shè)計過程中不僅要關(guān)注技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注溫度對技術(shù)指標(biāo)的影響。本文提供的方法可以幫助此類濾波器進行溫度影響的仿真分析，避免因選材不當(dāng)造成濾波器失效。

圖7 濾波器溫度試驗時幅度曲線

參考文獻

[1] COGDELL J R， DEAM A P， STRAITION A W. Temperature compensation of coaxial cavities [J]. IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1960 （3）： 151?155.

[2] KEATS B F， GORBET R B， MANSOUR R R. Designed and testing of SMA temperature?compensated cavity resonators [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2003， 51（12）： 2284?2289.

[3] LIM Sang?Kyn， LEE Han?Young， KIM Jun?Chul， et al. The design of a temperature?stable stepped?impedance resonator using composite ceramic materials [J]. IEEE Microwave and Guided Wave Letters， 1999， 9（4）： 143?144.

[4] 柳光福，劉啟明.介質(zhì)加載諧振腔濾波器的頻率溫度系數(shù)設(shè)計[J].航空電子技術(shù)，2007，38（3）：42?46.

[5] 李軍，賈寶富.雙金屬諧振腔溫補方法研究[J].真空電子技術(shù)，2009（1）：61?66.

[6] 任菁圃，張德偉，牛忠霞，等.一種同軸諧振腔的溫度特性研究[J].信息工程大學(xué)學(xué)報，2005（4）：31?33.