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[摘 要]随着通信事业的发展，需要大量的接收和传输信道。而这些信道只占据着有限的频带，再加上用相邻的频带进行通信越来越普遍。怎样使空间靠得很近的频带的使用互不影响并能有效的利用频带，这就要求滤波器具有高的选择性和温度稳定性来满足通信系统的需要。高技术性能、高可靠性的滤波器起着十分重要的作用。通过对UHF频段大功率腔体滤波器在应用初期出现的问题分析，以大量的技术试验和理论分析，找到了解决问题的途径。
[关键词]频段腔体 滤波器 优化设计
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0004-01
通信产业的发展，信道变得越来越拥挤。就移动通信而言，由2G向3G过渡后，所使用的收发信道变得更窄，因此，现阶段研究频段腔体滤波器的优化结构设计具有现实意义。
1.有关设计理念
1.1 滤波器的设计方案
在微波低频段，小型的滤波器通常有声表面波滤波器、介质滤波器、LC集总参数滤波器和螺旋线滤波器，每种滤波器都有各自的优势和不足，因此根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器是很有必要的。当需要微型化而对插损要求不高时，可以用声表面波滤波器、介质滤波器和LC集总参数滤波器，当有大功率要求时，就必须用螺旋线滤波器和腔体滤波器。但是螺旋线滤波器与同轴腔体滤波器相比，也有它插损大、加工繁锁、不易调试的缺点。另外一种常用的是微带线滤波器，在设计中采用发卡型和其他一些折叠类型的设计形式，也可以减小滤波器的尺寸，实现产品小型化，但由于微带线的Q值太低，使它在低插损和高选择性方面，仍远不及腔体滤波器。所以，从使用角度来看，选用较多的仍然是多种形式的腔体滤波器。
1.2 现阶段的发展状态
由于在下一代移动通信的基站中，对基站的体积和重量有十分严格的控制。为此必须减小滤波器的体积和重量，却又不能降低滤波器的性能，介质谐振腔滤波器则满足了这样的需求。在材料、工艺和微波技术发展到今天的情况下，用低损耗、高Q值，具有一定介电常数的陶瓷材料加载介质谐振腔来制造这些微波滤波器是一种必然的选择，经过理论和实践方面的长期努力和积累，这种介质谐振腔滤波器在移动通信系统中得到应用，而且前景广阔。
2.腔体滤波器的类型
2.1 段频一：关于低频腔体滤波器
微波带通滤波器是射频通讯中的重要部件之一，其结构设计对系统部件的体积、重量有着决定性的影响。为了满足小型化的需求，必须克服体积与指标的矛盾，实现低插损和高选择性的滤波器，使部件最大可能地实现结构最优化。近年来，各种三维电磁仿真软件的商业化发展一系列象高频电磁场结构仿真软件，可达到准确计算的软件，不断涌现。飞速发展的计算机技术提高了这类软件的计算速度，在滤波器的设计仿真和实现中发挥着巨大作用，使设计水平进入到一个数值化时代。目前，常采用的有加载型谐振腔组成的小型微波滤波器，它体积小、重量轻、性能指标好，在2次和3次谐波处也有很好的抑制，并且接口有N型、SMA型以及小插针等多种形式，尤其是插针形式，可以方便地焊接在电路中，极大地缩小部件的体积。
2.2 段频二：大功率腔体滤波器
从现象看，被损坏的大功率滤波器，主要是介质被烧毁。为了找到解决办法，先调试出一台功率超过滤波器承受功率指标50%的功放，然后通过试验逐条排除以下几种可能性：1）调谐钉与介质腔间存在碎屑。针对这种可能性，挑选几个滤波器反复清理后调试，在保证介质腔内无碎屑的情况下，做加大功率试验，结果滤波器仍有被烧毁的现象发生。试验证明只靠清理是不能解决问题的。2）调谐钉的螺纹结构，使螺纹边缘存在尖端放电。调谐钉上的螺纹是固定调谐螺钉必需的，如无螺纹，调谐钉将无法固定。实验中采取了去掉调谐钉下部螺纹并进行光滑处理的方法，解决了调谐钉尖端放电的问题。之后做加大功率试验，结果仍有滤波器被烧毁。试验证明只靠改变调谐钉的结构也是行不通的。3）介质耐压不够。由于大功率滤波器损坏时烧毁的总是介质，因此可能是介质耐压不够造成。当选用耐压更高的介质做实验时，仍存在大功率滤波器损坏的问题，试验证明选用耐压更高的介质依旧不能解决问题。在选择介质的试验中，发现当选用空气介质时，虽存在打火现象，但滤波器不会被烧毁，因为已没有可被烧毁的介质存在。当调谐钉选用下部无螺纹，介质选用空气时，滤波器无打火现象，工作正常。通过以上试验，得出了大功率腔体滤波器的优化设计方案：选用由下部无螺纹的调谐钉和空气介质组成谐振腔，再由这些谐振腔组合成大功率滤波器。
3.关于频段腔体滤波器的优化设计
3.1 可优化“潜能”方面
3.1.1 工艺流程
大功率腔体滤波器（本文指的是通过功率大于1500W的腔体滤波器）不同于普通滤波器，在研制和生产时需要考虑的问题比普通滤波器要多得多。近几年，由于工程任务的需要，研制和生产了UHF、L、X、Ku频段的大功率滤波器并成功的应用到多个工程项目中。本文拟以UHF频段大功率腔体滤波器为例。在大功率滤波器小批量生产过程中我们发现UHF频段大功率滤波器存在着一些必须改进的问题：生产工序繁锁，调试工序多，工艺要求苛刻。
3.1.2 具体使用阶段：
调试难度大，可生产性差主要体现在：滤波器在大功率试验中，一次通过率低，损坏后都须从头调起。可靠性差，电性能不稳定，极易烧毁调试完成的大功率滤波器，在温度试验或振动试验或放置一段时间后，仍存在加大功率时被烧毁的现象。原因可能是加工存在误差，介质杆与谐振杆不能紧密接触，在外力作用下发生位移和形变，导致电性能发生改变.
3.2 影响因素入手，找寻可优化的设置
由于材料热膨胀特性的影响，滤波器的滤波特性也随温度变化而改变。特别对窄带腔体滤波器这种变化尤为明显。随着科技的发展对系统可靠性与稳定性的要求越来越高，因此对高温度稳定性滤波器的研发成为迫在眉睫的课题。
腔体滤波器温度补偿方法通常有：对于金属腔耦合的滤波器温度补偿的一般方法是用热稳定的材料比如殷钢作滤波器腔体，但殷钢材料比较贵且密度比较大，不利于大规模的使用和用于轻便的设备，也不容易焊接且导电率差。经过分析在滤波器腔体上加温度补偿装置，这样不但加工制作比较复杂，而且大大增加了滤波器的体积和成本，因而缺乏实用性。灵活使用材料的温度系数，使材料温度变化对腔体谐振频率的影响相互抵消，这是目前最有效的温度补偿方法。但此种方法到目前为止，并没有给出使腔体温漂得到补偿时腔体部件与其材料温度系数之间的确切关系式。国内已有研究者利用热双金属片对矩形波导谐振腔进行温度补偿。对边长为141.5mm的正方体腔体进行温度补偿后，对40摄氏度温升所造成的频率变化可以控制在50Knz以内，为没有补偿时的频率变化量的5%，取得了比较好的温度补偿效果。国内也有研究者利用介质小球在腔体中不同方向的运动来研究对腔体频率的影响，制作了温度补偿装置，并总结了一些规律，得出了比较好的温度补偿效果。经过对整个腔体滤波器温漂的研究，得出这样的结论：腔体滤波器温度漂移产生的主要原因是单腔体的频率漂移，耦合窗随温度变化只影响滤波器滤波特性的回波损耗，对滤波器频率漂移没有影响。
结语
在设计中，首先建立腔体滤波器的模型，分析出影响温度稳定性的各个因素，探讨出合适的优化方法。优化后可实现增加产品可靠性，降低生产成本，节约能耗，减少繁琐的程序控制，最大化的实现强大的使用功能等特点。
参考文献
[1] 李春红，李志强《低频段腔体滤波器小型化设计》无线电工程，2006.
[2] 邓贤进，李家胤，张健《微波腔体滤波器的快速设计及仿真》微波学报，2006.
[3] 王凯，同轴腔体滤波器的温度补偿设计，江西通信科技，2009.
[关键词]频段腔体 滤波器 优化设计
中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0004-01
通信产业的发展，信道变得越来越拥挤。就移动通信而言，由2G向3G过渡后，所使用的收发信道变得更窄，因此，现阶段研究频段腔体滤波器的优化结构设计具有现实意义。
1.有关设计理念
1.1 滤波器的设计方案
在微波低频段，小型的滤波器通常有声表面波滤波器、介质滤波器、LC集总参数滤波器和螺旋线滤波器，每种滤波器都有各自的优势和不足，因此根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器是很有必要的。当需要微型化而对插损要求不高时，可以用声表面波滤波器、介质滤波器和LC集总参数滤波器，当有大功率要求时，就必须用螺旋线滤波器和腔体滤波器。但是螺旋线滤波器与同轴腔体滤波器相比，也有它插损大、加工繁锁、不易调试的缺点。另外一种常用的是微带线滤波器，在设计中采用发卡型和其他一些折叠类型的设计形式，也可以减小滤波器的尺寸，实现产品小型化，但由于微带线的Q值太低，使它在低插损和高选择性方面，仍远不及腔体滤波器。所以，从使用角度来看，选用较多的仍然是多种形式的腔体滤波器。
1.2 现阶段的发展状态
由于在下一代移动通信的基站中，对基站的体积和重量有十分严格的控制。为此必须减小滤波器的体积和重量，却又不能降低滤波器的性能，介质谐振腔滤波器则满足了这样的需求。在材料、工艺和微波技术发展到今天的情况下，用低损耗、高Q值，具有一定介电常数的陶瓷材料加载介质谐振腔来制造这些微波滤波器是一种必然的选择，经过理论和实践方面的长期努力和积累，这种介质谐振腔滤波器在移动通信系统中得到应用，而且前景广阔。
2.腔体滤波器的类型
2.1 段频一：关于低频腔体滤波器
微波带通滤波器是射频通讯中的重要部件之一，其结构设计对系统部件的体积、重量有着决定性的影响。为了满足小型化的需求，必须克服体积与指标的矛盾，实现低插损和高选择性的滤波器，使部件最大可能地实现结构最优化。近年来，各种三维电磁仿真软件的商业化发展一系列象高频电磁场结构仿真软件，可达到准确计算的软件，不断涌现。飞速发展的计算机技术提高了这类软件的计算速度，在滤波器的设计仿真和实现中发挥着巨大作用，使设计水平进入到一个数值化时代。目前，常采用的有加载型谐振腔组成的小型微波滤波器，它体积小、重量轻、性能指标好，在2次和3次谐波处也有很好的抑制，并且接口有N型、SMA型以及小插针等多种形式，尤其是插针形式，可以方便地焊接在电路中，极大地缩小部件的体积。
2.2 段频二：大功率腔体滤波器
从现象看，被损坏的大功率滤波器，主要是介质被烧毁。为了找到解决办法，先调试出一台功率超过滤波器承受功率指标50%的功放，然后通过试验逐条排除以下几种可能性：1）调谐钉与介质腔间存在碎屑。针对这种可能性，挑选几个滤波器反复清理后调试，在保证介质腔内无碎屑的情况下，做加大功率试验，结果滤波器仍有被烧毁的现象发生。试验证明只靠清理是不能解决问题的。2）调谐钉的螺纹结构，使螺纹边缘存在尖端放电。调谐钉上的螺纹是固定调谐螺钉必需的，如无螺纹，调谐钉将无法固定。实验中采取了去掉调谐钉下部螺纹并进行光滑处理的方法，解决了调谐钉尖端放电的问题。之后做加大功率试验，结果仍有滤波器被烧毁。试验证明只靠改变调谐钉的结构也是行不通的。3）介质耐压不够。由于大功率滤波器损坏时烧毁的总是介质，因此可能是介质耐压不够造成。当选用耐压更高的介质做实验时，仍存在大功率滤波器损坏的问题，试验证明选用耐压更高的介质依旧不能解决问题。在选择介质的试验中，发现当选用空气介质时，虽存在打火现象，但滤波器不会被烧毁，因为已没有可被烧毁的介质存在。当调谐钉选用下部无螺纹，介质选用空气时，滤波器无打火现象，工作正常。通过以上试验，得出了大功率腔体滤波器的优化设计方案：选用由下部无螺纹的调谐钉和空气介质组成谐振腔，再由这些谐振腔组合成大功率滤波器。
3.关于频段腔体滤波器的优化设计
3.1 可优化“潜能”方面
3.1.1 工艺流程
大功率腔体滤波器（本文指的是通过功率大于1500W的腔体滤波器）不同于普通滤波器，在研制和生产时需要考虑的问题比普通滤波器要多得多。近几年，由于工程任务的需要，研制和生产了UHF、L、X、Ku频段的大功率滤波器并成功的应用到多个工程项目中。本文拟以UHF频段大功率腔体滤波器为例。在大功率滤波器小批量生产过程中我们发现UHF频段大功率滤波器存在着一些必须改进的问题：生产工序繁锁，调试工序多，工艺要求苛刻。
3.1.2 具体使用阶段：
调试难度大，可生产性差主要体现在：滤波器在大功率试验中，一次通过率低，损坏后都须从头调起。可靠性差，电性能不稳定，极易烧毁调试完成的大功率滤波器，在温度试验或振动试验或放置一段时间后，仍存在加大功率时被烧毁的现象。原因可能是加工存在误差，介质杆与谐振杆不能紧密接触，在外力作用下发生位移和形变，导致电性能发生改变.
3.2 影响因素入手，找寻可优化的设置
由于材料热膨胀特性的影响，滤波器的滤波特性也随温度变化而改变。特别对窄带腔体滤波器这种变化尤为明显。随着科技的发展对系统可靠性与稳定性的要求越来越高，因此对高温度稳定性滤波器的研发成为迫在眉睫的课题。
腔体滤波器温度补偿方法通常有：对于金属腔耦合的滤波器温度补偿的一般方法是用热稳定的材料比如殷钢作滤波器腔体，但殷钢材料比较贵且密度比较大，不利于大规模的使用和用于轻便的设备，也不容易焊接且导电率差。经过分析在滤波器腔体上加温度补偿装置，这样不但加工制作比较复杂，而且大大增加了滤波器的体积和成本，因而缺乏实用性。灵活使用材料的温度系数，使材料温度变化对腔体谐振频率的影响相互抵消，这是目前最有效的温度补偿方法。但此种方法到目前为止，并没有给出使腔体温漂得到补偿时腔体部件与其材料温度系数之间的确切关系式。国内已有研究者利用热双金属片对矩形波导谐振腔进行温度补偿。对边长为141.5mm的正方体腔体进行温度补偿后，对40摄氏度温升所造成的频率变化可以控制在50Knz以内，为没有补偿时的频率变化量的5%，取得了比较好的温度补偿效果。国内也有研究者利用介质小球在腔体中不同方向的运动来研究对腔体频率的影响，制作了温度补偿装置，并总结了一些规律，得出了比较好的温度补偿效果。经过对整个腔体滤波器温漂的研究，得出这样的结论：腔体滤波器温度漂移产生的主要原因是单腔体的频率漂移，耦合窗随温度变化只影响滤波器滤波特性的回波损耗，对滤波器频率漂移没有影响。
结语
在设计中，首先建立腔体滤波器的模型，分析出影响温度稳定性的各个因素，探讨出合适的优化方法。优化后可实现增加产品可靠性，降低生产成本，节约能耗，减少繁琐的程序控制，最大化的实现强大的使用功能等特点。
参考文献
[1] 李春红，李志强《低频段腔体滤波器小型化设计》无线电工程，2006.
[2] 邓贤进，李家胤，张健《微波腔体滤波器的快速设计及仿真》微波学报，2006.
[3] 王凯，同轴腔体滤波器的温度补偿设计，江西通信科技，2009.