腔體濾波器溫度補(bǔ)償和溫度試驗(yàn)

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(duì)性能的影響，利用CST仿真軟件對(duì)腔體濾波器進(jìn)行溫度分析，并結(jié)合ADS軟件對(duì)該濾波器進(jìn)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(jì)了一個(gè)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(yàn)中誤差的影響因素，提出一種較小誤差的溫度試驗(yàn)方法，并對(duì)調(diào)試好的濾波器進(jìn)行溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示該濾波器的頻漂為5.6 ppm/℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)跟仿真結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞： 腔體濾波器； 溫度補(bǔ)償； 殷鋼諧振器； 溫度試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)，濾波器由于諧振腔的熱脹冷縮，其諧振頻率會(huì)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(huì)影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。因此對(duì)微波濾波器進(jìn)行溫度補(bǔ)償非常必要。濾波器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，文獻(xiàn)[1]通過一個(gè)可以隨溫度自動(dòng)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(jìn)行溫度補(bǔ)償；文獻(xiàn)[2]使用形狀記憶合金制作的彈簧裝置進(jìn)行溫度補(bǔ)償；文獻(xiàn)[3?4]利用介質(zhì)材料與金屬材料相反的熱膨脹系數(shù)對(duì)諧振腔進(jìn)行溫度補(bǔ)償；文獻(xiàn)[5]選用不同溫度系數(shù)的材料，使材料溫度變化對(duì)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(jì)了一個(gè)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(jì)算出窄帶濾波器的溫度特性。同時(shí)，本文將溫度試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，減小了試驗(yàn)誤差。濾波器溫度試驗(yàn)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(bǔ)償設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)的相位差

2 溫度試驗(yàn)

試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)必須考慮誤差的影響。試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的誤差主要是由測試系統(tǒng)誤差和計(jì)算精度誤差等誤差項(xiàng)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(yàn)誤差是測試電纜組件引起的試驗(yàn)誤差，為了減小測試電纜組件引起的幅相誤差，在溫度試驗(yàn)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(jìn)行溫度試驗(yàn)。同時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置更多的測試頻率點(diǎn)，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(shí)要保溫半個(gè)小時(shí)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(yàn)中的測試數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)的相位歸零）在整個(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 濾波器溫度試驗(yàn)時(shí)相位變化曲線

4 結(jié) 語

窄帶濾波器在設(shè)計(jì)過程中不僅要關(guān)注技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注溫度對(duì)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(jìn)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(yàn)時(shí)幅度曲線

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