CN106063027B - 补偿微波滤波器的温度飘移的方法 - Google Patents
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Abstract
一种补偿微波滤波器(1)的温度漂移的方法，包括以下步骤：测量包括多个谐振滤波器元件(F1‑F6)的微波滤波器(1)在第一温度的第一频率响应，以获得第一测量频率响应；确定与微波滤波器(1)相对应的等效电路(E)的元件(Y1、Y2、Y3)的值，使得用等效电路(E)计算出的第一模型化频率响应与第一测量频率响应匹配，以获得对微波滤波器(1)在第一温度进行建模的第一模型；测量微波滤波器(1)在第二温度的第二频率响应，以获得第二测量频率响应；重新确定与微波滤波器(1)相对应的等效电路(E)的元件(Y1、Y2、Y3)的值，使得用等效电路(E)计算出的第二模型化频率响应与第二测量频率响应匹配，以获得对微波滤波器(1)在第二温度进行建模的第二模型；用第一模型和第二模型确定多个谐振滤波器元件(F1‑F6)中每一个元件的谐振频率的温度漂移；并且用多个谐振滤波器元件(F1‑F6)中至少一些元件上的调谐机构(13、14)调整微波滤波器(1)的整体温度漂移，以调整谐振滤波器元件(F1‑F6)的温度漂移。
Description
本发明涉及一种补偿微波滤波器，特别是微波腔体滤波器的温度漂移的方法。
这样的微波滤波器用于例如无线通信，而且可以实现例如带通或带阻滤波器。在这一点上，无线通信在近几十年的连续增长导致了对滤波器和通信系统中的其它装置的更先进、更严格的要求。特别地，需要具有窄带宽、低插入损耗以及高选择性的滤波器，其中这样的滤波器必须能在宽温度范围内运行。一般而言，滤波器必须在寒冷环境的低温和升高的温度——例如在通信系统的组件在运行中变暖后的情况下运行。
为了满足这些需求，典型地，使用具有多个谐振滤波器元件，特别是谐振滤波器腔体的微波滤波器，其中谐振滤波器元件彼此电磁耦合。在这样的滤波器中，为了满足在可运行温度范围内所要求的规范，需要一种针对温度漂移稳定谐振频率的机构。为此，滤波器元件的壳体和谐振器元件——例如谐振器杆，可以由有不同热膨胀率(CTE)的材料制成，从而稳定整个滤波器的谐振频率。但是，典型地，这样的谐振频率温度补偿基于这一假设，即该滤波器的所有谐振滤波器元件都在相同的频率谐振。典型地，这可能不正确，因为由滤波器的制备导致滤波器的各谐振滤波器元件可能在有微小差异的频率谐振。因此，不同的谐振滤波器元件可能有不同的由温度偏差导致的谐振频率漂移，因而可能导致滤波器性能的下降。
最近提出的称为异型(cul-de-sac)的拓扑，对于给定响应有最小数量的耦合且没有对角耦合，典型地，它比传统拓扑更加温度敏感，并且需要非常精确的温度补偿来从其优势处获益。
因此，需要一种方法，能够在各单个谐振滤波器元件处进行精细的温度补偿，从而补偿装配、机械和材料公差。总体上，可以假定，当对该滤波器的所有谐振滤波器元件足够好地进行了温度补偿后，就可以认为对滤波器响应进行了温度补偿。
举例而言，温度补偿滤波器可以采用有低热膨胀率的材料，例如所谓的因瓦(Invar)材料。但是，这样的材料成本很高。另一个选择是将具有合适的热膨胀率的不同材料相结合。
举例而言，成本效益高的共轴谐振器腔体可以采用铝合金壳体，该壳体包括谐振器元件和由黄铜或钢制成的调谐螺钉。谐振腔的密度可以通过电脑模拟确定，以在其额定谐振器密度、额定热膨胀率数值、额定频率，针对频率漂移补偿该腔体。然而，由于生产偏差和机械及材料公差，不同的谐振腔体可能展示出偏离额定谐振频率温度漂移的不同的谐振频率温度漂移。这影响了滤波器整体的性能，导致滤波器性能的降低。
一般而言，对单个谐振滤波器元件或几个隔开的、耦合到主微波线路的谐振滤波器元件的温度补偿是简单且直接的，因为各谐振滤波器元件由温度变化而造成的频率漂移与其它谐振滤波器元件是隔开的，这样，不同谐振滤波器元件的调谐效应可以被清晰地识别。然而，当多个谐振滤波器元件交叉耦合时，特别是对于cul-de-sac拓扑，通过目前已知的技术实际上不可能从整体的滤波器响应中识别特定的谐振滤波器元件的频率漂移时，出现了更复杂的情形。
举例而言，微波滤波器的制备，特别是采用cul-de-sac拓扑的微波腔体滤波器的制备，在Cameron等人的文章(”Synthesis of advanced microwave filters withoutdiagonal cross-couplings”，IEEE Trans.MTT，Vol.50，No.12，December 2002)、Fathelbab的文章(”Synthesis of cul-de-sac filter networks utilizing hybridcouplers”，IEEE Microwave and Wireless Components Letters，VOL.17，No.5，May2007)和Corrales等人的文章(”Microstrip dual-band bandpass filter based on thecul-de-sac topology”，Proceedings of the 40.European Microwave Conference，September 2010)等文章中被描述。在Wang等人的文章(”Temperature compensation ofcombline resonators and filters”，IEEE MTT-S Digest，1999)中，对一种谐振器温度补偿的方法进行了建模，其中谐振器包括调谐螺钉和圆柱形状、置于腔体内的谐振器杆。
由US 6734766可知一种具有温度补偿元件的微波滤波器。该微波滤波器包括壳体壁结构、滤波器盖、谐振器杆、调谐螺钉和温度补偿元件。该温度补偿元件接合到滤波器盖或壳体，并与在环境温度改变时随之变形的滤波器盖或壳体形成双金属复合物。
由US 5233319可知一种包括两个调谐螺钉的电介质谐振器，其中一个调谐螺钉是金属的，另一个调谐螺钉是电介质的。这两个调谐螺钉相对壳体是可移动的，其中通过将金属调谐螺钉移动到壳体内，可以调高该谐振器的谐振频率，而通过将电介质调谐螺钉移动到壳体内，可以降低该谐振器的谐振频率。
本发明的目标是提供一种方法，能够用一种简单的、可自动化的方式来对微波滤波器的谐振滤波器元件进行调谐，以补偿滤波器整体的温度漂移。
通过包括权利要求1所述特征的方法，这一目标得以实现。
此处提供了一种补偿微波滤波器温度漂移的方法，该方法包括：
-测量包括多个谐振滤波器元件的微波滤波器在第一温度的第一频率响应，以获得第一测量频率响应，
-优化所述与微波滤波器相对应的等效电路，使得用所述等效电路计算出的第一模型化频率响应与所述第一测量频率响应匹配，以获得对所述微波滤波器在所述第一温度进行建模的第一模型，
-测量所述微波滤波器在第二温度的第二频率响应，以获得第二测量频率响应，
-重新优化所述微波滤波器相对应的等效电路，使得用所述等效电路计算出的第二模型化频率响应与所述第二测量频率响应匹配，以获得对所述微波滤波器在所述第二温度进行建模的第二模型，
-用所述第一模型和所述第二模型确定所述多个谐振滤波器元件中每一个元件的谐振频率的温度漂移，以及
-用所述多个谐振滤波器元件中的至少一些元件上的调谐机构调整所述微波滤波器的整体温度漂移，以调整所述谐振滤波器元件的所述温度漂移。
本发明基于这一思路，即用一种两步的方案来实现微波滤波器的温度漂移补偿。在此，在第一步中，在不同温度分析滤波器响应，例如在室温和在一个或多个室温以上的温度，以获得关于滤波器中所包括的各谐振滤波器元件的频率漂移的信息。一旦已知该滤波器的各具体的谐振滤波器元件的频率漂移，这些谐振滤波器元件就可以被彼此独立地进行补偿。之后，在第二步中，通过采用合适的、为了对粗略补偿后的谐振器进行精细的温度漂移补偿而设计的调谐机构，实现适当的温度漂移补偿。
在这一方法的背景下，在第一温度——如室温测量微波滤波器的频率响应，以获得第一测量频率响应。此外，在第二温度——如远高于室温的温度测量微波滤波器的第二频率响应，以获得第二测量频率响应。之后，所称第一测量频率响应和所称第二频率响测量结果被用于优化微波滤波器的等效电路，该等效电路包括多个电路元件，这些元件以其多个耦合谐振滤波器元件对微波滤波器的特性进行建模。在此，优化该等效电路，从而确定其电路元件的值，使得用等效电路计算出的模型化频率响应与第一测量频率响应至少近似地匹配。
此外，通过确定其电路元件值的不同集合，优化该等效电路，使其模型化频率响应与第二测量频率响应匹配。这样，获得了对第一温度——如室温的微波滤波器进行建模的第一模型和对第二温度——如远高于室温的温度的微波滤波器进行建模的第二模型。可以进一步地对其它温度重复这一方法，以进而获得对其它温度的微波滤波器进行建模的进一步的模型。之后，对于各谐振滤波器元件及其间各耦合，不同温度的谐振频率和耦合系数可以由不同模型计算并储存。之后，由此，可以确定多个谐振滤波器元件中各元件的谐振频率的温度漂移。
一旦已知单个谐振滤波器元件的温度漂移，这些谐振滤波器元件可以被分别地进行补偿。为此，在一个或多个谐振滤波器元件上使用合适的调谐机构，该调谐机构以合适的方式补偿该特定的谐振滤波器元件的温度漂移。如果相对于其温度漂移，所有谐振滤波器元件都被很好地补偿了，则微波滤波器整体的温度漂移也会得到补偿。
举例而言，微波滤波器可以包括组成谐振滤波器元件的多个谐振滤波器腔体。这些腔体由微波滤波器壳体的壁结构限定，并可以通过该壁结构中的开口彼此电磁耦合。
举例而言，当计算在特定温度微波滤波器的频率响应时，可以确定并储存散射矩阵(所谓的S矩阵)参数。此处，当测量在不同温度的频率响应时，对每一温度确定散射矩阵。
有益地，每个谐振滤波器元件与调谐机构相关联，该调谐机构用于对该谐振滤波器元件进行调谐，使其展示出合适的温度漂移——优益地，低的温度漂移。此处，这一调谐机构可以不同方式设计。
在第一变体中，谐振滤波器元件的调谐机构可以包括一个调谐元件，该调谐元件置于该谐振滤波器元件的壳体上，其中，通过选择调谐元件的材料和/或形状来补偿相关联的谐振滤波器元件的温度漂移。一方面，调谐元件——例如由黄铜、钢或铝合金等金属或由电介质材料制成的调谐螺钉——用于将该滤波器元件调谐到期望的谐振频率。此外，通过适当地选择调谐元件的材料和/或形状，可以实现温度漂移补偿，其中谐振滤波器元件在期望的谐振频率的温度漂移得到补偿。
在第二变体中，谐振滤波器元件的调谐机构包括至少两个调谐元件，该调谐元件置于谐振滤波器元件的壳体上。各调谐元件以轴部延伸到谐振滤波器元件的腔体内，其中该调谐元件可以相对于该壳体沿着调整方向移动，以调整延伸到壳体内的轴部的长度。原则上，调谐元件可以耦合方式移动，例如，使得一个调谐元件移动到该壳体内的同时，另一个调谐元件移动到该壳体外。然而，有益地，调谐元件相对于该壳体是可以彼此独立地移动的。
随后，关于图中所示的实施例，将更加详细地说明本发明的基本思路。此处：
图1A示出包括多个形状为微波腔体的谐振滤波器元件的微波滤波器的俯视图；
图1B示出根据图1A的微波滤波器沿直线A-A的截面图；
图2示出微波滤波器的功能示意图；
图3示出根据图1A沿直线B-B的截面图；
图4示出微波滤波器等效电路的示意图，该滤波器表示包括六个谐振滤波器元件的cul-de-sac滤波器；
图5示出在图4等效电路表示中所用的微波滤波器的3D模型；
图6A示出微波滤波器在温度漂移补偿之前的测量频率响应；
图6B示出微波滤波器在温度漂移补偿之后的测量频率响应；
图1A和1B示出构成为微波腔体滤波器的微波滤波器1。微波滤波器1包括多个谐振滤波器元件F1-F6，其中每个元件具有一个谐振微波腔体C1-C6。微波滤波器1可以实现例如具有预设阻带的带阻滤波器或具有预设通带的带通滤波器。
微波滤波器1的滤波器元件F1-F6的腔体C1-C6由微波滤波器1的壳体11的壁结构110-115形成。壳体11包括底壁110，从底壁110垂直延伸出侧壁111、112、114、115(见图1B和3)。壳体11还包括盖子，盖子形成在顶端覆盖微波滤波器1的顶壁113。
相邻滤波器元件F1-F6的腔体C1-C6通过隔开不同腔体C1-C6的壁结构的开口O32、O21、O16、O65、O54彼此连接，以使得相邻的腔体C1-C6电磁耦合。微波滤波器1具有所谓的cul-de-sac拓扑，其中滤波器元件F1-F6被置为一行，且在两个最内部的滤波器元件F1、F6(源S和负荷L)处设有耦合到主线路M的耦合。因而，微波信号可以通过输入部I耦合到主线路M中，耦合到微波滤波器1中并在输出部O输出。
在其滤波器腔体C1-C6中，各谐振滤波器元件F1-F6包括从底壁110上的高部116延伸到腔体C1-C6中的谐振器元件12，使得被形成为例如具有圆形或方形截面的杆谐振器元件12，在中心突入腔体C1-C6内。
一般地，谐振滤波器元件F1-F6的谐振频率由腔体C1-C6和置于腔体C1-C6中的谐振器元件12的尺寸决定。为了能够对滤波器元件F1-F6的谐振频率进行调谐，此处在各谐振滤波器元件F1-F6上，设有形状为调谐螺钉的调谐元件13。调谐元件13被置于相应的腔体C1-C6的顶壁113上，并且包括轴部132，轴部132可以移到腔体C1-C6内或腔体C1-C6外，以调整相应的谐振滤波器元件F1-F6的谐振频率。
单个谐振滤波器元件F1-F6的谐振频率的组合进而决定了微波滤波器1整体的谐振特性，并因而决定了例如通带或阻带的形状。
图2示出微波滤波器1的示意图，表明了单个谐振滤波器元件F1-F6的功能配置，描绘了滤波器元件F1-F6和主线路M之间的耦合。
如图3所示，除了第一调谐元件13以外，本示例中的各谐振滤波器元件F1-F6还包括第二调谐元件14，第二调谐元件14具有延伸到相应的腔体C1-C6内的轴部142。调谐元件13、14共同组成调谐机构，其一方面能对相关联的滤波器元件F1-F6的谐振频率进行调谐，另一方面能对谐振滤波器元件F1-F6的温度漂移进行精细的补偿，以获得谐振滤波器元件F1-F6的优良温度特性。
如图3所示，各调谐元件13、14包括延伸到滤波器元件F1-F6相应的腔体C1-C6内的轴部132、142。调谐元件13、14的头部131、141放置在腔体C1-C6外，使用者可以由此作用于调谐元件13、14，将其旋进腔体C1-C6内或旋出腔体C1-C6外。通过螺母131、141，调谐元件13、14被固定在顶壁113上。调谐元件13、14可以相对于滤波器元件F1-F6的壳体11的顶壁113沿着调整方向A1、A2移动，每一个元件形成为一个螺钉，使得通过分别就其调整方向A1、A2对调谐元件13、14进行调谐，获得沿着相应的调整方向A1、A2的纵向调整。通过这样的纵向调整，调谐元件13、14的轴部132、142延伸到腔体C1-C6内的长度可以变化。
一般而言，没有耦合到其它任何谐振滤波器元件F1-F6，并因而可以被认为与其它滤波器元件F1-F6隔开的单个谐振滤波器元件F1-F6的温度漂移补偿是相当简单的。然而，对于彼此交叉耦合的多个滤波器元件F1-F6——例如图1A和1B的微波滤波器中的多个滤波器元件F1-F6而言，这样的补偿不可能以一种简单且直观的方式进行。因而，此处提出了一种方法，能够确定应如何调整单个谐振滤波器元件F1-F6的调谐机构13、14，以获得微波滤波器1整体的优良的温度漂移补偿。
为此，注意到微波滤波器1可以由等效电路E表示，如图4所示的例子。在这样的等效电路E中，微波滤波器1被分为两个模型，即对微波滤波器1的实际3D结构进行建模的物理模型N，和包括耦合电容CC12-CC16以及谐振电容Cr1-Cr6的调谐模型T。
在这样的等效电路E中，3D模型N通过在例如全波3D电磁模拟器——如有限元或有限差分模拟工具中对微波滤波器1的物理结构进行建模，对其物理特性进行建模。图5示出了在这一模拟工具中所用的3D模型的一个示例。此处，微波滤波器1的物理特性通过用该物理3D模型计算出的n端口S参数矩阵来描述，在本示例中，cul-de-sac滤波器拓扑具有六个谐振滤波器元件F1-F6和具有端口P1-P8的8端口S参数矩阵。
本方法所基于的思想由例如Meng等人(”Tuning space mapping：A modeltechnique for engineering design optimization”，IEEE MTT-S Int.MicrowaveSymp.Dig.，Atlanta，Georgia，2008，pp.991-994)和Koziel等人(”Space mapping”，IEEEMicrowave Magazine，December 2008)的文章描述，这些参考文献将通过引用包含在此。根据这一思想，调谐模型T包含于对要优化的器件的物理结构进行建模的物理3D模型N中。调谐模型T的元件，即谐振电容Cr1-Cr6和耦合电容CC12-CC56，在模型中是可调谐的，以相对于期望的目标优化整体模型。由于物理3D模型N整体上是计算昂贵的，所以这一方法是优益的，而对具有有限数量的元件Cr1-Cr6和CC12-CC56的调谐模型T进行优化的代价很小，因为典型地，调谐模型T可以用例如电路模拟器来实现。
用这样的等效电路E对微波滤波器1进行精细补偿，总的方法如下：
首先，如图6A所示，测量微波滤波器1的频率响应。由测量频率响应，确定并储存微波滤波器1的散射矩阵(S参数矩阵)。
之后，根据实际微波滤波器1的散射矩阵，可以通过调整等效电路E的调谐模型T的元件Cr1-Cr6和CC12-CC56来优化等效电路E，使其特性与测量所得的微波滤波器1的物理特性(为此，假定3D模型已先被计算，随之产生了一个表示该3D模型N的n端口S参数矩阵)至少近似地匹配。换言之，优化等效电路E，以使其计算频率响应与微波滤波器1的测量频率响应至少近似地匹配。
这可以对不同的温度进行。例如，首先，可以在室温(图6A中的曲线R0)测量频率响应，而等效电路E可以被优化至这一测量频率响应R0，以获得对室温的微波滤波器1进行建模的第一模型。之后，可以在升高的温度——例如50℃以上的温度测量第二频率响应，而等效电路E可以被优化使其计算频率响应对该升高的温度的测量频率响应进行建模。这样，获得第二模型。
通过所确定的各谐振滤波器元件F1-F6的模型，可以确定并储存谐振频率随温度的漂移。进一步地，可以确定并储存滤波器元件F1-F6之间的耦合随温度的漂移。因而，可以确定并储存隔开的各滤波器元件F1-F6的谐振频率温度漂移列表。
作为这些步骤的结果，各滤波器元件F1-F6的谐振频率的温度漂移已知。有了这一知识，可以补偿各滤波器元件F1-F6的温度漂移。一旦各滤波器元件F1-F6的温度漂移得到补偿，微波滤波器1整体的温度漂移也将得到补偿。
如果各谐振滤波器元件F1-F6的温度漂移被适宜地补偿，微波滤波器1整体也会展示出具有期望的(最小的)温度漂移的特性。如图6B所示，描绘了在室温的测量频率响应R0和在升高的温度的测量频率响应R1。这些曲线几乎彼此匹配。
为了补偿温度漂移，并且为了以其腔体C1-C6对谐振滤波器元件F1-F6进行调谐，使得在额定谐振频率获得近似为零的温度漂移，图3的实施例中提供了一种包括两个调谐元件132、142的调谐机构，该调谐元件的形状为调谐螺钉，被不对称地安置在谐振滤波器元件F1-F6的壳体114的顶壁113上，并可以被独立地调整，以最小化腔体C1-C6的温度频率漂移。
本发明的基本思路不限于以上所描述的实施例，而是也可以在完全不同的实施例中实施。特别地，可以构思滤波器元件形成微波滤波器的其它配置。特别地，本发明不特别限于具有cul-de-sac拓扑的滤波器。
参考标号列表
1 微波滤波器
11 壳体
110-115 壳体壁
116 高部
12 谐振元件
120 开口
121 顶面
13、14 调谐元件
130、140 螺母
131、141 螺钉头部
132、142 轴
A1、A2 调整方向
C1-C6 腔体
CC12、CC23、CC45、CC56、CC16 耦合电容
Cr1-Cr6 谐振电容
E 等效电路
F1-F6 谐振滤波器元件
I 输入部
L 输出部(负荷)
M 主线路
N 3D模型
O 输出部
O32、O21、O16、O65、O54 开口
P1-P8 端口
R0、R1 频率响应
S 输入端(源)
T 调谐模型
Claims (13)
1.一种补偿微波滤波器(1)的温度漂移的方法，所述方法包括：
-测量包括多个谐振滤波器元件(F1-F6)的微波滤波器(1)在第一温度的第一频率响应，以获得第一测量频率响应，
-优化与所述微波滤波器(1)相对应的等效电路(E)，使得用所述等效电路(E)计算出的第一模型化频率响应与所述第一测量频率响应匹配，以获得对所述微波滤波器(1)在所述第一温度进行建模的第一模型，
-测量所述微波滤波器(1)在第二温度的第二频率响应，以获得第二测量频率响应，
-重新优化与所述微波滤波器(1)相对应的等效电路(E)，使得用所述等效电路(E)计算出的第二模型化频率响应与所述第二测量频率响应匹配，以获得对所述微波滤波器(1)在所述第二温度进行建模的第二模型，
-用所述第一模型和所述第二模型确定所述多个谐振滤波器元件(F1-F6)中每个元件的谐振频率的温度漂移，以及
-用所述多个谐振滤波器元件(F1-F6)中的至少一些元件上的调谐机构(13、14)调整所述微波滤波器(1)的整体温度漂移，以调整所述谐振滤波器元件(F1-F6)的所述温度漂移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述等效电路(E)对所述微波滤波器(1)的所述谐振滤波器元件(F1-F6)进行建模。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一温度对应于室温。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度对应于室温以上的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度对应于50℃以上的温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度对应于在60℃和100℃之间的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述谐振滤波器元件(F1-F6)包括多个谐振滤波器腔体(C1-C6)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个谐振滤波器腔体(C1-C6)由所述微波滤波器(1)的壳体(11)的壁结构(110-115)限定，并通过所述壁结构(110-115)中的开口(O32、O21、O16、O65、O54)电磁耦合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在不同温度测量所述频率响应时，对每个温度确定并储存散射矩阵参数。
10.根据权利要求1所述的方法，其中每个谐振滤波器元件(F1-F6)与一个调谐机构(13、14)相关联。
11.根据权利要求10所述的方法，其中谐振滤波器元件(F1-F6)的所述调谐机构(13、14)包括一个安置于所述谐振滤波器元件(F1-F6)的壳体(11)上的调谐元件(13、14)，其中通过选择所述调谐元件(13、14)的材料和/或形状，来补偿相关联的所述谐振滤波器元件(F1-F6)的所述温度漂移。
12.根据权利要求10所述的方法，其中谐振滤波器元件(F1-F6)的所述调谐机构(13、14)包括至少两个安置于所述谐振滤波器元件(F1-F6)的壳体(11)上的调谐元件(13、14)，且每个调谐元件以轴部(132、142)延伸到所述谐振滤波器元件(F1-F6)的腔体(C1-C6)内，其中所述两个调谐元件(13、14)中的每个元件可以相对于所述壳体(11)沿着调整方向(A1、A2)移动，以调整延伸到所述壳体(11)内的所述轴部(132、142)的长度(L1、L2)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述两个调谐元件(13、14)能够相对于所述壳体(11)彼此独立地移动。
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