4G移動通訊用介質(zhì)諧振器研制

廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司 殷 旺

全球4G移動通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正如火如荼的進行，截止2018年1月全球范圍內(nèi)已有651個商用LTE網(wǎng)絡(luò)，覆蓋25.4億用戶[1]。頻譜資源緊張、高耗能等眾多挑戰(zhàn)使運營商面臨著更加嚴峻的成本壓力。微波介質(zhì)陶瓷材料制備的介質(zhì)濾波器損耗更小、數(shù)據(jù)傳輸速率更高，是解決4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)頻譜資源瓶頸問題的最佳選擇。E19205產(chǎn)品是客戶用于4G基站濾波器上的產(chǎn)品。為搶得市場先機客戶要求7天內(nèi)完成產(chǎn)品研制供應(yīng)合格產(chǎn)品。由于研制過程中要通過對介質(zhì)諧振器產(chǎn)品的尺寸、溫漂等做多輪調(diào)整，試制才能達到客戶要求，諧振器產(chǎn)品制作周期較長，一般至少需要試制2輪共兩周。為了快速開發(fā)出符合客戶要求的產(chǎn)品，我們將前期的工作經(jīng)驗應(yīng)用于E19205產(chǎn)品的設(shè)計研制中，縮短研制周期。

一、E19205規(guī)格產(chǎn)品的電性能要求

1、頻率：在Φ55*H38mm的諧振腔中諧振頻率2005 ～2015MHz；

2、Q值：大于等于22000；

3、溫漂：±200 KHz（-40℃～+85℃）。

二、HFSS仿真設(shè)計

1、模型建立

內(nèi)孔為0mm的介質(zhì)諧振器的諧振頻率與介電常數(shù)εr及介質(zhì)直徑Dr及高度Lr有如下關(guān)系[2]：

同一尺寸產(chǎn)品介電常數(shù)越高諧振頻率越低，相同諧振頻率介電常數(shù)越高，尺寸越小。Q值近似等于損耗正切的倒數(shù)。Q值越高，諧振峰越尖銳，頻率范圍內(nèi)的串擾越小。一般用Qf表征損耗性能。溫漂(τf)表明介質(zhì)諧振器的諧振頻率隨溫度的變化。若介質(zhì)諧振器溫漂過大，則工作時諧振器的諧振頻率漂移過大，影響設(shè)備使用性能。介質(zhì)諧振器需具有高的介電常數(shù)，高Q值，接近零的τf。介質(zhì)諧振器材料選擇要從這3個關(guān)鍵參數(shù)綜合考慮：

公司現(xiàn)有微波介質(zhì)陶瓷材料主要有3種：KM01（介電常數(shù)38，Qf=50000GHz）、KM02（介電常數(shù)45，Qf=40000GHz）、KM03（介電常數(shù)34.5， Qf=84000GHz）。根據(jù)以往經(jīng)驗Q值要達到客戶22000以上的要求，材料的Qf值要在60000GHz以上。因此需選擇KM03微波介質(zhì)陶瓷材料來設(shè)計制作E19205介質(zhì)諧振器產(chǎn)品。

根據(jù)微波電磁場理論及前期經(jīng)驗總結(jié)，建模時有如下參數(shù)選擇原則要遵循：

A、同一種材料制作的產(chǎn)品Q值隨腔體直徑與產(chǎn)品外徑比值的增大而增大，比值達到1.5時達到飽和。比值大于3時，因介質(zhì)產(chǎn)品高度增加會導(dǎo)致高次模與TE01模相互接近產(chǎn)生干擾。腔體直徑與產(chǎn)品外徑比值選擇在1.5-2.0之間較好。

B、介質(zhì)諧振器內(nèi)徑與外徑的比值在0-0.3之間時對產(chǎn)品Q值基本無影響，大于0.3時將大大降低Q值。

C、產(chǎn)品高度與外徑的比值選擇在0.35-0.45之間有利于抑制高次模。

D、支撐盡可能使介質(zhì)諧振器產(chǎn)品位于諧振腔正中心，此時Q值最高。

E、材料溫漂的選擇：客戶要求介質(zhì)諧振器產(chǎn)品溫漂在±200KHz對應(yīng)材料溫漂-1ppm/℃～+1ppm/℃。根據(jù)Liechtenecker logarithmic原則[3]：

εr(3)為混合后粉體的介電常數(shù)，εr(1)及εr(2)為混合前兩種粉體的介電常數(shù)。同理τf(3)為混合后粉體的溫漂，τf(1)及τf(2)為混合前兩種粉體的溫漂。采用已有溫漂為-3ppm/℃及+3ppm/℃的材料按0.33：0.67比例均勻混合既可得到符合客戶溫漂要求的材料。兩種粉體的介電常數(shù)均在34.5，混合后的粉體介電常數(shù)將保持在34.5。

結(jié)合以上原則并根據(jù)公司現(xiàn)有模具尺寸及支撐尺寸可以選定介質(zhì)產(chǎn)品成品尺寸為Φ29.5*Φ8.5*TBD，氧化鋁支撐尺寸為23.5*17.5*H10mm。下面在HFSS軟件中建立如下圖1所示的仿真模型[4]分別仿真確定頻點達到要求的介質(zhì)高度及KM03產(chǎn)品在此腔體此頻點可到達的Q值。

圖1 仿真模型

2、介質(zhì)諧振器高度的確定

在上述已建立模型的基礎(chǔ)上，建立諧振頻率與介質(zhì)高度的掃頻，求解諧振頻率及介質(zhì)高度的關(guān)系圖。如圖2所示。TE模介質(zhì)諧振器高度為11.84mm時，在諧振腔中的諧振頻率為2005 MHz。高度為11.4mm時，在諧振頻率為2025MHz。高度變化0.2mm，頻點變化9 MHz左右。從仿真結(jié)果看介質(zhì)高度在11.4-11.84mm之間時可以滿足客戶的頻點要求。因考慮到仿真的精確度，實際產(chǎn)品制作時需留有0.1mm的加工余量，將產(chǎn)品的燒結(jié)后高度設(shè)計為11.9mm。

圖2 介質(zhì)高度仿真結(jié)果

3、介質(zhì)諧振器Q值仿真

在上一步仿真的基礎(chǔ)上將諧振器尺寸固定為Φ29.5*Φ8.5*H11.6mm建立Q值與Qf值的掃頻。仿真后得到圖3所示的Q值與Qf值的關(guān)系圖。QF值為84000GHz時對應(yīng)產(chǎn)品的Q值為25750左右。從仿真結(jié)果看采用KM03材料制作介質(zhì)諧振器完全滿足客戶的Q值要求。

圖3 Q值仿真結(jié)果

4、仿真結(jié)論

采用國華KM03材料進行仿真評估，評估結(jié)果如下：

A、諧振柱尺寸為Φ29.5*Φ8.5*H11.4～11.84mm，支撐尺寸：?23.5*?17.5*H10mm（99鋁）時滿足單腔Φ55*38mm中諧振頻率在2005～2025MHz的要求。

B、評估Q值：25750@2018MHz滿足客戶規(guī)格要求，且有較大余量。

三、介質(zhì)諧振器產(chǎn)品制作

根據(jù)仿真結(jié)果使用按比例混合的KM03微波介質(zhì)陶瓷材料干壓成型并燒結(jié)后，在Φ55mm*38mm腔體中按頻點2010±5 MHz進行尺寸打磨，制作介質(zhì)諧振器產(chǎn)品，并對其進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1

在諧振腔Φ55*38mm頻點為2010MHz時實際產(chǎn)品尺寸為Ф29.5×Ф8.5×H11.6mm。與同頻率下仿真尺寸Ф29.5×Ф8.5×H11.72 mm存在差異。頻點與產(chǎn)品尺寸成反比，與產(chǎn)品的介電常數(shù)的平方根成反比。尺寸不變，頻點出現(xiàn)波動即表明介電常數(shù)有差異。從頻點數(shù)據(jù)看此批產(chǎn)品介電常數(shù)應(yīng)稍大于34.5。仿真結(jié)果雖然與實際產(chǎn)品測試結(jié)果有誤差，但能為產(chǎn)品制作提供指導(dǎo)。

頻點2006MHz～2010MHz之間，符合客戶要求。

Q值＞25994，符合客戶要求。

溫漂：-89 KHz（-40℃～+25℃），+78KHz（+25℃～+85℃），符合客戶要求。

四、結(jié)論

1、采用HFSS仿真可較好的指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

2、根據(jù)Liechtenecker logarithmic原則，采用不同溫漂粉體按比例混合，滿足不同規(guī)格產(chǎn)品對溫漂不同的要求，對材料制作、生產(chǎn)管理均帶來較大方便。

3、通過1輪實驗就研制成功了E19205規(guī)格產(chǎn)品，性能指標完全符合客戶要求。

4、研制周期大大縮短，從至少14天時間縮短至7天時間。

5、該規(guī)格產(chǎn)品的研制經(jīng)驗對后續(xù)TE模產(chǎn)品設(shè)計提供了參考意義。

[1]GSA,GSA Snapshot–LTE Ecosystem.https://gsacom.com/.

[2]顧其諍.介質(zhì)諧振器的微波電路[M].人民郵電出版社,1986.

[3]M.T.Sebastian. Dielectric materials for wireless communication[M].2008.

[4]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計應(yīng)用詳解[M].北京:人民郵電出版社,2010.