1、雙工器的頻率溫度系數柳光福劉啟明(上海埃德電磁技術有限公司,上海 200237摘要:本文詳細的敘述了測試GSM移動通信基站中900MHz和1800MH兩種雙工器的頻率溫度系數的方法和具體數據,從網絡理論和實際工藝兩方面分析了雙工器因溫度變化產生較大頻率偏移的主要原因,總結出預防頻率偏移的設計方法。關健詞:頻率溫度系數,梳狀線同軸諧振腔,傳輸極點Frequency Temperature Coefficient of DiplexersLiu,Guang-fu and Liu,Qi-ming(AERODEV Electromagnetic Tech Inc., Shanghai 200237,

2、China Abstract: Frequency temperature coefficients of diplexers serving in 800MHz and 1800MHz GSM mobile communication systems were measured and recorded in this paper. The main causes impacted the variety of frequency temperature coefficient were analyzed from the both sides of network synthesis th

3、eory and technologies in detail. The methods are recommended for controlling frequency temperature coefficient is improved.Key words: frequency temperature coefficient; Combline coaxial resonator; transmission pole1 前言移動通信是很有前途的新技術,在世界各國得到空前的發展和應用。在短短的幾年內,我國的移動電話用戶就躍居世界之首,我國通信信息產業的發展取得了舉世屬目的成就。現在,我國

4、具有自主知識產權的DT-SCDMA第三代移動通信技術已經日臻成熟,正在醞釀實際應用。另一方面,不管在現行移動通信(如GSM基站中,還是頻分體制的第三代移動通信基站中(如WCDMA,都會用雙工器與天線的搭配來同時實現通信信號的發送和接收。雙工器在移動通信系統中扮演著重要的角色,它的溫度特性直接關系到通信的質量的系統的穩定。由于種種原因,雙工器幾乎都是用鋁材料加工,然后再鍍銀的工藝來制造。但是,鋁材料的熱膨脹系數比銅和鋼大,這就存在一個問題,即雙工器的特性(含傳輸、阻抗和相位特性等會隨溫度變化出現較大的偏移。大家知道,實際上雙工器就是同時包括接收和發射濾波器的一種微波器件,其中的接收和發射濾波器就

5、是按微波濾波器的理論來設計和制造的。我們討論雙工器的頻率溫度系數,就是討論微波濾波器的溫度特性。本文主要討論雙工器內的濾波器的傳輸特性(即幅-頻特性的溫度系數,即頻率溫度系數。當然,這里述及的方法也能用于雙工器、微波濾波器阻抗和相位等溫度特性的實驗和研究。如果不關注頻率溫度系數對雙工器特性造成的影響,不采取行之有效的措施來預防,即使在現行第二代或二代半的移動通信系統中,這個問題也會變為一個棘手的問題。在設計GSM 移動通信系統基站內雙工器的發射和接收濾波器時,要把因環境溫度變化可能引起的頻率偏移正確預計,便可用預失真的方法來彌補溫度變化引起的濾波器頻率偏移,才能保證通信質量不受一年四季和地域溫

6、度變化的影響,才不會對通信質量產生影響。當微波濾波器用于其他領域(如航空航天和某些對溫度很敏感的場合,我們可用恰當的方法來控制微波濾波器的頻率溫度系數,把溫度變化對系統造成的影響控制到可以允許的范圍內。下面就我們測量雙工器內的梳狀線同軸諧振腔濾波器頻率溫度系數的實驗和控制溫度偏移所采取的措施與大家討論。2 頻率溫度系數我們可以這樣來定義微波濾波器的頻率溫度系數,即在(1式中,頻率溫度系數表示為Hz/;F1(Hz 是在溫度為T1(時,測得濾波器某特定頻率點(如濾波器的傳輸極點的頻率數值;F2(Hz 是在溫度為T2(時,測得濾波器上述特定頻率點偏移后的頻率數值。(1式中所定義的頻率溫度系數是溫度變

7、化攝氏一度時所引起頻率偏移。它描述的是頻率偏移的具體數值。為了表達相對于測試頻率上發生的偏移,在實際中,往往用到頻率溫度系數的另一種描述,即在(2式中的頻率溫度系數表示為ppm/。它描述的是相對于測試頻率來說,發生了百萬分之幾的頻率偏移。在不同的場合,可用不同的頻率溫度系數表示方法。頻率溫度系數是因為濾波器金屬材料的熱膨脹所產生。假設某濾波器在室溫時的幅-頻特性如圖1所示。那么,當溫度低于室溫時,濾波器腔體尺寸會縮小,它的幅-頻特性就會往頻率高的方向偏移,如圖2所示。反之,當溫度高于室溫時,濾波器腔體尺寸會增大,它的幅-頻特性又會往頻率低的方向偏移,如圖3所示。一般來說,用鋁材料和傳統工藝制

8、頻率溫度系數= (2 (F2-F1/F1 (T2-T1頻率溫度系數= (1 (F2-F1 (T2-T1 造的微波濾波器的幅-頻特性呈現負的頻率溫度系數。3 鋁材料雙工器的頻率溫度系數圖4是用鋁材料和傳統工藝制造的GSM移動通信基站900MHz雙工器的幅-頻特性。它的左面(即圖A是880-915MHz接收濾波器的實測幅-頻特性、阻抗特性的曲線,右面(即圖B是925-960MHz發射濾波器的實測幅-頻特性、阻抗特性的曲線。仔細考察這兩個濾波器的幅-頻特性可見,在接收濾波器的頻率范圍880-915MHz和發射濾波器的頻率范B 發射濾波器的幅-頻特性圖4 某GSM900MHz雙工器的幅-頻特性圍925

9、-960MHz之間,只有10MHz的保護頻率范圍,這對設計制造雙工器中的接收和發射濾波器提出了十分苛刻的要求。為保證接收機在對應的頻率范圍不受到發射信號的影響,要求在接收濾波器通帶的上邊帶,即在925MHz頻率附近對發射機低端的信號有很深的抑制,要求達到90dB以上的插入損耗。同樣地,也要求在發射濾波器通帶的下邊帶,即在915MHz 頻率附近實現很深的抑制,進一步保護接收機不受影響,也要達到優于90dB的插入損耗。只有這樣,通信系統才能正常運行。為了方便測量和分析圖4所示用鋁材料制作的發射和接收濾波器的頻率溫度系數,找出改善這類濾波器頻率溫度系數的有效途徑。首先,我們要了解和認識這類濾波器的特

10、點。為大家知道,常規的切比雪夫帶通濾波器,它的通帶內有等幅波動(Equiripples,它的傳輸極點可以放在0Hz (即DC端或Hz(即無限遠端。常規的橢圓函數帶通濾波器,在它的通帶和阻帶存在等幅值的波動。從圖4中所示的幅-頻特性曲線可以看到,在880-915MHz的接收濾波器的上邊帶的925MHz附近放置有傳輸極點,使其在通帶的上邊帶產生十分陡峭的選擇性能。在925-960MHz的發射濾波器的下邊帶的915MHz附近也放置有傳輸極點,使其在通帶的下邊帶產生十分陡峭的選擇性能。只有這樣的響應曲線,才能滿足有關雙工器規范中關于控制干擾信號的要求,有效地控制發射信號和其他干擾信號對接收機的影響。在

11、上述發射和接收濾波器中設置的這些傳輸極點,被安置在非DC端和非無限遠端,既不同于常規的切比雪夫帶通濾波器,也區別于橢圓函數帶通濾波器,我們把具有這類幅-頻特性的濾波器稱為不對稱廣義切比雪夫濾波器(Asymmetric Generalized Chebyshev Filter或準橢圓函數濾波器(Pseudoelliptic Filter。因為要求在這些傳輸極點處的插入損耗低于-90dB,這對我們準確測試頻率溫度系數提供了方便,如在圖4 A 中的橢圓區域,接收濾波器上邊帶的傳輸極點清晰可見。為展示細節,我們把圖4 A的橢圓區域放大為圖5。測得該濾波器在室溫15的頻點1的頻率1為925.99MHz。

12、相應地,該濾波器放在70的高溫箱2個小時后測得頻點2,這時的頻率2為925,00MHz。把該濾波器放在-5的低溫箱2個小時后測得頻點3,頻點3的頻率3為926.36MHz。在溫度變化75的條件下,該點的頻率變化了1.36MHz。根據上述數據,我們便能計算出濾波器的溫度每變化1的頻率溫度系數為(925,00MHz-926.36 MHz/75=-18.133kHz/。若用ppm/表示,則頻率溫度系數為(925,00MHz-926.36 MHz/925.99 MHz/75=-19.58ppm/。用同樣的方法,測得圖4 B 所示發射濾波器通帶下邊帶傳輸極點處的頻率溫度系數為-20.8kHz/,相應的頻

13、率溫度系數為-22.73ppm/。為什么在同一個雙工器內的接收和發射濾波器頻率溫度系數還有這么大的差異,下面另做分析。圖4中的接收和發射濾波器都是N=10的不對稱廣義切比雪夫濾波器。其中的梳狀線同軸諧振腔示于圖6。它的具體參數為A=50.5mm, B=43.5mm, 1=19mm, 2=10mm, 3=6mm, H1=42.8mm, H2=40mm, H3=30mm。其中,腔體和內導體的材料是鋁的,調諧螺釘是銅的。結合我們的條件,還對用于1800MHz的GSM基站中雙工器也進行了試驗。該雙工器中的接收濾波器的通帶頻率范圍為1710-1785MHz,發射濾波器的通帶頻率范圍為1805-1880M

14、Hz。其接收濾波器是N=6的不對稱廣義切比雪夫濾波器,發射濾波器的N=9。其中的梳狀線同軸諧振腔的具體參數為A=55mm, B=50mm, 1=18mm, 2=10mm, 圖6 梳狀線同軸諧振腔結構3=6mm, H1=30mm, H2=23mm, H3=15mm。腔體和內導體的材料是鋁的,調諧螺釘是銅的。測得接收濾波器的頻率溫度系數為-12.54kHz/,表示為另一種方式,則其頻率溫度系數為-6.95ppm/。4鋁材料濾波器頻率溫度系數的分析圖4所示的這兩個濾波器都是用梳狀線同軸諧振腔(Combline Coaxial Resonator的結構來實現的。所謂梳狀式同軸諧振腔濾波器至少包含有這幾

15、層意思,A組成濾波器的所有同軸諧振腔是在同一端面短路,在另一端面開路;B除了同軸諧振腔本身具有的分布電容外,在諧振腔的開路節點上要實施電容加載;C電容加載后的同軸諧振腔短于同頻率四分之一波長諧振腔的長度。從這個意義上講,同頻率的梳妝線同軸諧振腔濾波器的體積比四分之一波長諧振腔減小。D如果只從在結構外型和它們等效電路圖來判斷,似乎梳妝線同軸諧振腔濾波器與傳統的四分之一波長諧振腔濾波器是相同的。但是,理論和實驗證明,用直接耦合的方式是不能用四分之一波長諧振腔來實現我們要求的不對稱廣義切比雪夫濾波器的。圖6示出了組成微波濾波器的梳妝線同軸諧振腔的結構原理圖。圖6中的腔體、內導體和調諧螺釘可以是鋁的,

16、也可以是其他金屬材料的。通過調整腔體、內導體和調諧螺釘所用材料的組合,可以達到控制微波濾波器的頻率溫度系數大小的目的。這是十分清楚的,圖6中的腔體和內導體之間有分布電容,其數值可以按同軸腔的有關公式估計算。同時,在調諧螺釘和內導體之間也有分布電容,我們可以把這個電容視作為梳狀線同軸諧振腔濾波器的加載電容。由于其結構與同軸腔的相似,也可以按同軸腔的有關公式估算這個電容器的大小。從圖6中可以看到,調諧螺釘到內導體之間的距離比內導體到腔體的距離短很多。因此,由于熱膨脹引起調諧螺釘到內導體之間距離的變化,要比腔體和內導體之間距離的變化激烈得多,從而引起梳狀線同軸諧振腔的加載電容量的很大變化,這是影響上

17、述雙工其頻率溫度系數的主要原因。在設計這類結構的微波濾波器時,對熱膨脹引起調諧螺釘到內導體之間距離的變化要給予特別的關注。另一發面,要在不對稱廣義切比雪夫濾波器的上下邊帶設置傳輸極點時,是通過在三個梳狀線同軸諧振腔之間設置非臨近耦合(cross-coupling的方法來實現的,這種方法有一個網絡綜合的專用名字“CT” (cascaded-triplet。其具體等效電路有兩種形式,示于圖7。其中, 圖 7A 是容性的非臨近耦合原理圖，圖 7B 是感性的非臨近耦合原理圖，要根據傳輸極點 的設置位置來選擇不同的非臨近耦合。如要實現圖 4A）中的接收濾波器幅-頻特性，要采用 圖 7B）中的感性非臨近耦

18、合；如要實現圖 4B）中的發射濾波器幅-頻特性，則要采用圖 7B） 中的容性非臨近耦合。 由于容性非臨近耦合的溫度穩定性沒有感性非臨近耦合的好， 這就是 為什么圖 4 所示的接收濾波器的頻率溫度系數和發射濾波器的頻率溫度系數相差較大的原 因。 5 頻率溫度系數與濾波器的設計 從上面的實驗和分析提示我們，在設計雙工器和微波濾波器時要考慮頻率溫度系數對 他們的影響。 首先， 要按照有關的標準和技術條件來確定所設計的雙工器或微波濾波器的工 作環境溫度 T 高（表示最高的工作環境溫度，）和 T 低（表示最低的工作環境溫度，） ； 其次，上面所述的那樣測量出所設計的濾波器的頻率溫度系數，按（3）式計算出

19、在室溫 條件下濾波器必須具有的帶寬 W（Hz） W=頻率溫度系數 (（ T 低 +T 室）+（T 高T 室） ） 證該濾波器在規定的工作環境溫度范圍內滿足相關標準和技術條件的要求。 這里要說明的一點是，前面測得的 900MHz 和 1800MHz 用在 GSM 通信基站的雙工器 的頻率溫度系數，是在很多條件的限制下產生的，例如所采用的材料，濾波器的級數，梳狀 線同軸諧振腔的尺寸，設置有兩個“CT”（即得到兩個由非臨近耦合實現的傳輸極點）等等。 所以，那些頻率溫度系數沒有普遍性，對其他雙工器和濾波器的設計僅供參考。 在某些工程應用中，會遇到對頻率溫度系數要求十分嚴格的情況，如 MMDS 和 IF

20、DS 系 （3） （3）式中的室溫是高于 0。在室溫條件下測得濾波器的帶寬滿足（3）式的要求，就能保 統中的信道濾波器， 雖然中心頻率也在 24GHz 頻段， 但是每個信道帶寬很窄， 只有 5MHz, 每個信道之間的保護帶只有幾百千赫茲。如上面所述及的設計，每攝氏度有 20 千赫茲左右 的頻率偏移，那末，在工作環境溫度范圍內，可能濾波器的通帶早已偏移出它的中心頻率， 系統根本無法運行。為此，我們可以選用不同材料來制作梳狀線同軸諧振腔的不同部位，從 而達到把濾波器的頻率溫度系數控制到允許的范圍內， 設計制造出滿足實際使用要求的雙工 器和濾波器。在文獻中介紹了一種微波濾波器的設計，腔體用鋁來制造，內導體用鈦 (Titanium來做，調諧螺釘選用鋼的。在這樣的搭配之下，設計了一只中心頻率為 4GHz， 帶寬為 36MHz 的 8 腔體橢圓函數濾波器，其實測頻率溫度系數為2.8ppm/，這是很好 的頻率溫度系數，與設計得相當好的介質諧振腔的頻率溫度系數相當。所以，這也是設計濾 波器時實現控制頻率溫度系數的一種方法。