腔體濾波器溫度補償和溫度試驗

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據和頻漂數據。設計了一個采用雙導體結構的濾波器，該濾波器盒體為鋁合金材料，諧振桿和調諧螺釘為殷鋼。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，并對調試好的濾波器進行溫度試驗，試驗結果顯示該濾波器的頻漂為5.6 ppm/℃，試驗數據跟仿真結果吻合。

關鍵詞： 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 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0131?03

0 引 言

微波濾波器廣泛應用于各種通信系統中。通常情況下，微波濾波器要在較寬的溫度范圍內工作，當環境溫度發生變化時，濾波器由于諧振腔的熱脹冷縮，其諧振頻率會產生變化，由此可能導致濾波器駐波比變大，損耗增加，相位出現偏移等情況，也就是常說的溫度漂移現象。如果溫度漂移引起的幅相變化超過某一數值，將會影響信號的傳輸質量。因此對微波濾波器進行溫度補償非常必要。濾波器溫度補償的方法有很多種，文獻[1]通過一個可以隨溫度自動調整的諧振桿，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]利用介質材料與金屬材料相反的熱膨脹系數對諧振腔進行溫度補償；文獻[5]選用不同溫度系數的材料，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，采用雙導體結構，優化諧振腔各部分的尺寸參數[6]，設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。濾波器溫度試驗結果表明該濾波器的溫度漂移特性跟仿真結果吻合。

1 溫度補償設計方法

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線性膨脹，由于諧振器的形變量極小，為了保證計算精度，設置較寬的溫度范圍，CST中諧振腔模型如圖1所示。將殷鋼的熱脹系數1.3 ppm/℃和鋁合金材料的熱膨脹系數24 ppm/℃，代入諧振器模型，分別計算腔體和內導體為鋁材、腔體為鋁材內導體為殷鋼、腔體和內導體都是殷鋼，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，如果腔體和內導體都用鋁材的諧振頻率變化量為25 ppm/℃，腔體和內導體都用殷鋼的諧振頻率變化量為1.5 ppm/℃，腔體用鋁材內導體用殷鋼的諧振頻率變化量為5 ppm/℃。可以看出諧振器用鋁材內導體用殷鋼的諧振器可以起到很好的溫度特性。

1.2 耦合系數變化模型

按照鋁材的溫度膨脹系數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的變化曲線，如圖3所示，耦合系數的變化量很小，即使全鋁材的諧振腔，耦合系數的變化量都小于1 ppm/℃。

圖3 耦合系數隨溫度的變化曲線

1.3 ADS中溫度變化仿真結果

將諧振器的頻率變化情況和耦合系數變化情況代入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°，通過數據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

試驗是驗證設計結果的重要環節，由于濾波器隨溫度變化引起的幅相變化量較小，在進行環境試驗時必須考慮誤差的影響。試驗過程中產生的誤差主要是由測試系統誤差和計算精度誤差等誤差項引起的，其中測試系統誤差包括：矢量網絡分析儀的測量精度，高低溫箱的控溫精度和溫箱內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。同時矢量網絡分析儀設置更多的測試頻率點，盡量縮短溫箱內測試電纜的長度，溫箱溫度到達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的誤差。

3 數據處理結果

將溫度試驗中的測試數據進行處理后可以得出幅相數據如表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）在整個溫度范圍內小于8.7°，幅度變化小于0.17 dB，利用數據擬合求得該濾波器的頻率漂移為5.6 ppm/℃，跟ADS仿真數據吻合很好。

表1 濾波器溫度試驗數據

圖6 濾波器溫度試驗時相位變化曲線

4 結 語

窄帶濾波器在設計過程中不僅要關注技術指標的實現，還應當關注溫度對技術指標的影響。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.介質加載諧振腔濾波器的頻率溫度系數設計[J].航空電子技術，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，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].信息工程大學學報，2005（4）：31?33.