腔体滤波器设计课件

腔体滤波器的分析与设计腔体滤波器的分析与设计边登峰边登峰Dengfeng_bianallrizon-腔体滤波器的分析与设计边登峰1Outline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&AOutline腔体滤波器的设计流程2腔体滤波器的设计流程腔体滤波器的设计流程n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n确定电路模型及拓扑结构n通过平面电路设计得到归一化耦合矩阵通过平面电路设计得到归一化耦合矩阵MiiMii及输入输出阻抗特性及输入输出阻抗特性(使用工具为使用工具为TouchStoneTouchStone或或Cleod)Cleod)n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n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 K值值（使用工具为（使用工具为CST)CST)n将计算出的将计算出的K K值同值同MiiMii相结合准确计算出谐振器间的窗口大小（使相结合准确计算出谐振器间的窗口大小（使用工具为用工具为CST)CST)n出设计图纸并调试，优化设计并作最终记录出设计图纸并调试，优化设计并作最终记录2005-3-27Allrizon Communication Corp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3腔体滤波器的基本理论腔体滤波器的基本理论电路模型电路模型腔体滤波器的基本理论电路模型4 耦合谐振滤波器最基本的耦合结构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。耦合谐振滤波器最基本的耦合结构 馈源只与一个谐振5梳状线滤波器结构示意图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！注意：接地良好与否直接影响性能！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！6电路原理图电路原理图电路原理图7场分布场分布场分布8电场分布电场分布：越靠近腔体顶部越强磁场分布磁场分布：越靠近腔体底部越强总体来讲总体来讲：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。电场分布：越靠近腔体顶部越强9决定谐振频率的因素决定谐振频率的因素 决定谐振频率的因素 101.谐振频率同波长成反比。频率越高单腔尺寸越小，频谐振频率同波长成反比。频率越高单腔尺寸越小，频 率率越低单腔尺寸越大越低单腔尺寸越大2.L同谐振杆的尺寸密切相关。谐振杆越长越细，同谐振杆的尺寸密切相关。谐振杆越长越细，L越大，越大，频率越低；谐振杆越短越粗，频率越低；谐振杆越短越粗，L越小，频率越高越小，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反映。法兰盘越大间隙越小则C越大，频率越低；反之则越大，频率越低；反之则C越小，频率越高越小，频率越高1.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11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/er0.5)ln(1.0787b/a)er：相对介电常数 b:方腔的边长 a:谐振杆的直径 通常通常b/a约为约为3以实现以实现Q值最优值最优谐振器间的耦合是由平行耦合线间的边缘场得到12基本概念基本概念1.窄带滤波器的相对带宽窄带滤波器的相对带宽：BW=(f2-f1)/f0 f1，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.几个概念的辨析几个概念的辨析：dB，dBm，dBc 基本概念1.窄带滤波器的相对带宽：BW=(f2-f1)/f13 概念辨析概念辨析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3 dB。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14dBm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。dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率15dBc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.dBc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16Measuring S-ParametersS11=ReflectedIncident=b1a1a2=0S21=TransmittedIncident=b2a1a2=0S22=ReflectedIncident=b2a2a1=0S12=TransmittedIncident=b1a2a1=0IncidentTransmittedS21S11Reflectedb1a1b2Z0Loada2=0DUTForwardIncidentTransmittedS12S22Reflectedb2a2ba1=0DUTZ0LoadReverse12005-3-27Allrizon Communication CorpMeasuring S-Parameters S11=Ref17S-Parameters with Common Measurement TermsS11=forward reflection coefficient(input match)S22=reverse reflection coefficient(output match)S21=forward transmission coefficient(gain or loss)S12=reverse transmission coefficient(isolation)Remember,S-parameters are inherently complex,linear quantities-however,we often express them in a log-magnitude format2005-3-27Allrizon Communication CorpS-Parameters with Common Measu18Lightwave Analogy to RF Energy RFIncidentReflectedTransmitted LightwaveDUT2005-3-27Allrizon Communication CorpLightwave Analogy to RF Energy19High-Frequency Device CharacterizationTransmittedIncidentTRANSMISSIONGain/LossS-ParametersS21,S12GroupDelayTransmissionCoefficientInsertion PhaseReflectedIncidentREFLECTIONSWRS-ParametersS11,S22ReflectionCoefficientImpedance,Admittance R+jX,G+jB ReturnLoss G,rT,tIncidentReflectedTransmittedRBAAR=BR=2005-3-27Allrizon Communication CorpHigh-Frequency Device Characte20Transmission Line Terminated with Zo For reflection,a transmission line terminated in Zo behaves like an infinitely long transmission lineZs=ZoZoVrefl=0!(all the incident power is absorbed in the load)VincZo=characteristic impedance of transmission line2005-3-27Allrizon Communication CorpTransmission Line Terminated w21Transmission Line Terminated with Short,Open Zs=ZoVreflVincFor reflection,a transmission line terminated in a short or open reflects all power back to sourceIn-phase(0o)for open,out-of-phase(180o)for short2005-3-27Allrizon Communication CorpTransmission Line Terminated w22Reflection Parameters dBNo reflection(ZL=Zo)r rRLVSWR01Full reflection(ZL=open,short)0 dB1=ZL-ZOZL+OZReflection Coefficient=VreflectedVincident=rFG=rGReturn loss=-20 log(r),Voltage Standing Wave RatioVSWR =EmaxEmin=1+r1-rEmaxEmin2005-3-27Allrizon Communication CorpReflection Parameters dBNo re23Transmission ParametersVTransmittedVIncidentTransmission Coefficient =T=VTransmittedVIncident=tfDUTGain (dB)=20 Log VTrans VInc =20 log tInsertion Loss(dB)=-20 Log VTrans VInc =-20 log t2005-3-27Allrizon Communication CorpTransmission ParametersVTransm24Group Delayin radiansin radians/secin degreesf in Hertz (w=2 p f)fwfGroup Delay(t )g=-d fd w=-1360od fd f*FrequencyGroup delay rippleAverage delaytotgPhasefDfFrequencyDwwlgroup-delay ripple indicates phase distortionlaverage delay indicates electrical length of DUTlaperture of measurement is very important2005-3-27Allrizon Communication CorpGroup Delayin radiansin radian25标准史密斯圆图(Smith Chart)ABC阻抗圆图阻抗圆图:1.短路点短路点A(-1,0)2.开路点开路点C(1,0)3.匹配点匹配点B(0,0)导纳圆图导纳圆图:1.短路点短路点C(-1,0)2.开路点开路点A(1,0)3.匹配点匹配点B(0,0)传向波源的波长传向负载的波长2005-3-27Allrizon Communication Corp标准史密斯圆图(Smith Chart)ABC阻抗圆图:导纳26 27腔体滤波器设计课件28腔体滤波器设计课件29Q值分析与测试值分析与测试 Q值分析示意图谐振回路谐振回路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储能大损耗小意味着Q值高值高Q值分析与测试 Q值分析示意图谐振回路ZLQ值是表示谐振30 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世界上导电性能最好的三种金属 银，铜，铝银，铜，铝世界上导电性能最好的三种金属31 Q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 Q值同单腔的体积和表面积有关32 Q Q值分析值分析 (1/QL)=(1/Qu)+(1/Qe)QL:有载有载Q值值（实际测试的值）（实际测试的值）Qu:无载无载Q值值（最终需要的值，这是腔体的固有性质）（最终需要的值，这是腔体的固有性质）Qe:外部外部Q值值（实际存在的外部耦合产生的值）（实际存在的外部耦合产生的值）腔体滤波器设计课件33我们实际测试单谐振腔的我们实际测试单谐振腔的Q Q值值1.除了要测试的谐振频率之外，不能 有其他频率成分2.测试时仪器频宽设置不要过大3.外部耦合不能过大或过小，否则测不出真实的Q值那么外部耦合多少才行呢？那么外部耦合多少才行呢？我们实际测试单谐振腔的Q值那么外部耦合多少才行呢？34 当当Qe=Qu时，时，Qu=2QL QL=f0/f3dB Qu=2f0/f3dB 腔体滤波器设计课件35 用史密斯圆图帮助分析ABC 当看到谐振器的曲线恰好过大圆圆心时，则谐振器在过圆心的频率点上 阻抗匹配；如曲线包含大圆圆心则外部耦合过大；如不包含则外部耦合过小2005-3-27Allrizon Communication Corp 用史密斯圆图帮助分析ABC当看到谐振器的曲线恰好过36Q值测试曲线一值测试曲线一Q值测试曲线一37Q值测试曲线二值测试曲线二Q值测试曲线二38 交叉耦合的功能和使用交叉耦合的功能和使用 如果滤波器有如果滤波器有N个谐振器，则可个谐振器，则可以最多产生以最多产生N2个传输零点。传输个传输零点。传输零点（零点（transmissionzeros）就是）就是陷波点，可以认为是响应曲线陷波点，可以认为是响应曲线S21上的零点。它可以在滤波器通带的上的零点。它可以在滤波器通带的单边或双边产生传输零点，以提高单边或双边产生传输零点，以提高带外抑制。利用传输零点可以使低带外抑制。利用传输零点可以使低阶数滤波器获得与高阶数滤波器同阶数滤波器获得与高阶数滤波器同样好的特性。样好的特性。交叉耦合的功能和使用 如果滤波器有N个谐振器，则39较常用的交叉耦合形式较常用的交叉耦合形式 容性耦合容性耦合 感性耦合感性耦合 在非主通道上的附加耦合在非主通道上的附加耦合较常用的交叉耦合形式40容性交叉耦合的基本形式一容性交叉耦合的基本形式一41容性交叉耦合的基本形式二容性交叉耦合的基本形式二42容性交叉耦合的基本形式三容性交叉耦合的基本形式三43容性交叉耦合形式可以以此类推容性交叉耦合形式可以以此类推44容性交叉耦合的工艺形式容性交叉耦合的工艺形式45感性交叉耦合的基本形式一感性交叉耦合的基本形式一46感性交叉耦合的基本形式二感性交叉耦合的基本形式二47感性交叉耦合形式可以以此类推感性交叉耦合形式可以以此类推48感性交叉耦合的工艺形式感性交叉耦合的工艺形式49 设计实例设计实例Insertion Loss,Port 3 to Port 1:0.50dB maximum,0.25dB typical(824-849 MHz)Rejection,Port 3 to Port 1:70dB minimum,75dB typical(869-894 MHz)Insertion Loss,Port 3 to Port 2:0.50dB maximum,0.25dB typical(869-894 MHz)Rejection,Port 3 to Port 2:70dB minimum,75dB typical(824-849 MHz)VSWR:1.22:1 maximum-All Ports(Return Loss:20dB minimum)设计实例Insertion Loss,Port 3 t50设计实例设计实例 INOUT123654拓扑结构示意图设计实例 INOUT123654拓扑结构51 设计实例设计实例 为达到带外抑制的指标，我们希望通为达到带外抑制的指标，我们希望通带的一侧出现零点，几个零点能达到我带的一侧出现零点，几个零点能达到我们的要求呢？们的要求呢？设计实例 52 设计实例设计实例 一个零点的情况一个零点的情况(pole2和和pole4之间为之间为容性耦合或感性耦合容性耦合或感性耦合)设计实例 一个零点的情况(pole2和pole4之间为53 设计实例设计实例 两个零点的情况两个零点的情况(pole2和和pole5之间为之间为容性耦合，容性耦合，pole1和和pole6间为感性耦合间为感性耦合)设计实例 两个零点的情况(pole2和pole5之间为54 设计实例设计实例 两个零点的第二种情况两个零点的第二种情况(2和和4之间为容之间为容性或感性耦合，性或感性耦合，2和和5之间为感性耦合之间为感性耦合)设计实例 两个零点的第二种情况(2和4之间为容性或感性55 设计实例设计实例 能不能在通带的一侧加三个零点呢？能不能在通带的一侧加三个零点呢？设计实例 56感性交叉耦合形式可以以此类推感性交叉耦合形式可以以此类推57容性交叉耦合形式可以以此类推容性交叉耦合形式可以以此类推58 设计实例设计实例 四种方案的可行性分析四种方案的可行性分析 一个零点一个零点(24):带外抑制指标无余量带外抑制指标无余量 两个零点两个零点(2516):带外抑制指标余量不大带外抑制指标余量不大 两个零点两个零点(2425):带外抑制指标余量较大带外抑制指标余量较大 三个零点三个零点(252635):指标有余量，但交叉指标有余量，但交叉 耦合过多，实现起来有难度耦合过多，实现起来有难度结论：选择两个零点余量较大的方案结论：选择两个零点余量较大的方案 设计实例 四种方案的可行性分析结论：选择两个零点余量较大59在非主通道上的附加耦合在非主通道上的附加耦合 馈源和负载端分别可以耦合不止一个谐振器，中间含有不止一条耦合路径（包括主耦合、弱耦合）。附加的耦合能够使滤波器响应在阻带内产生衰减极大值，利于形成优良的滤波特性曲线。这样设计出来的滤波器便可以通过仅仅改变谐振器的谐振频率来调整传输零点得位置，甚至可以使传输零点从中心频率的一边变到另一边，无需变动耦合系数，从而保证了滤波器结构实现的稳定性。经典范例经典范例A17K系列系列在非主通道上的附加耦合 馈源和负载端分别可以耦合不止60 1243567INOUT 1243567INOUT61 温度对产品的影响温度对产品的影响 请注意请注意：腔体中存在电磁应力腔体中存在电磁应力 腔体中存在多种材料腔体中存在多种材料 产品性能对机械尺寸精度很敏感产品性能对机械尺寸精度很敏感 温度对产品的影响62 温度对产品的影响温度对产品的影响 电磁应力在高温时得以释放，常温时间距较小电磁应力在高温时得以释放，常温时间距较小的地方（如交叉耦合与铜管）在高温下间距会的地方（如交叉耦合与铜管）在高温下间距会发生微小变化从而影响产品性能发生微小变化从而影响产品性能 由于铝和铜具有不同的热膨胀系数，高温时盖由于铝和铜具有不同的热膨胀系数，高温时盖板与铜管之间的板与铜管之间的gap会与常温有微小变化，从会与常温有微小变化，从而使谐振器的谐振频率产生变化而使谐振器的谐振频率产生变化高温时，如果曲线向低频方向漂移，可通过增加铜管高温时，如果曲线向低频方向漂移，可通过增加铜管高度来补偿；反之可通过削减铜管高度来补偿高度来补偿；反之可通过削减铜管高度来补偿 温度对产品的影响 高温时，如果曲线向低频方向漂移，可通过63 EDA Tools TouchStone Cleod CST EDA Tools64 Q&A腔体滤波器设计课件65