廣播電視發射系統中濾波器的溫度補償

摘 要：頻率穩定性是微波濾波器的重要技術指標之一。保證頻率穩定，對濾波器諧振腔進行溫度補償是較為有效的方法。主要探討溫度補償新技術，對目前比較常用的幾種微波濾波器的溫度補償技術進行闡述，并給出改進法來提高微波濾波器頻率穩定性。隨著廣播電視及其通信技術的飛速發展，溫度補償技術必將隨著市場需求的增加而獲得更快發展。

關鍵詞：濾波器；溫度補償；濾波器諧振腔；頻率穩定性

中圖分類號：TN934文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2013903

Temperature Compensation of Filter in Radio and TV Delivery System

ZHANG Xin，BAI Xiangyang

(Henan Administration of Radio Film and Television，Zhengzhou，450003，China)

Abstract：Temperature compensation technologies on microwave filters are very important in microwave filters design.Promising a frequency stability，flapping a chamber to carry on temperature repair to the filters is more valid method.This text mainly inquiries into the temperature in expiation of new technique，and compensates a technical improvement to raise the frequency stability of the microwave filter currently to iner common use and a few temperatures of microwave filters.With the rapid development of radio and TV communication technique，the temperature compensation has fast development with increase in market demand.

Keywords：filter;temperature compensation;filter resonator;frequency stability

1 溫度補償概述

諧振腔是重要的微波器件，被廣泛應用在濾波器、功率合成器等設備中。諧振頻率是諧振腔最重要的參數之一。當大功率廣播電視射頻信號通過含有諧振腔的設備時，由于諧振腔的功率損耗，會有一部分能量轉化為熱能，設備的溫度會升高，導致諧振腔的體積和形狀發生微小的變化。這種變化雖然肉眼察覺不到，但會引起諧振頻率的漂移，從而使設備的性能發生變化，影響其正常使用。所以，在實際應用中的微波諧振腔必須有好的頻率穩定性，必須保證諧振腔的諧振頻率在一定溫度范圍內保持恒定。

為了使微波諧振腔有良好的溫度特性，目前比較常用的方法一般可分為2種。一種是采用熱膨脹系數小的銦鋼材料制作諧振腔。這種材料做成的諧振腔的頻率穩定度是由普通的銅或鋁做成的諧振腔的10倍左右，但銦鋼材料的缺點也比較多，如成本高、不容易焊接、導電率差、材料密度大等。銦鋼制成的腔體的內壁必須鍍銀才能使用。由于銀和銦鋼的溫度膨脹系數相差很大，當腔體在使用中由于溫度反復變化，附著在銦鋼上的鍍銀層會剝落。當有一小塊先剝落時，該處因為銦鋼和銀導電率的差異會引起打火，從而加速腔體的損壞。

另一種增加諧振腔頻率穩定性的方法就是對諧振腔進行溫度補償。溫度補償就是應用某種方法補償溫度變化對諧振腔諧振頻率所造成的影響，將諧振腔的諧振頻率穩定在一個可以接受的范圍內。本文主要介紹應用在波導腔和同軸腔上的各種溫度補償方法。

2 溫度對諧振腔諧振頻率的影響

絕大多數的金屬和合金都是受熱體積膨脹，冷卻體積收縮。大部分純金屬的膨脹系數與其熔點成反比，高熔點金屬膨脹系數小，如W（鎢）、Mo（鉬）、Ta（鉭）、Nb（鈮）等；低熔點金屬膨脹系數大，如Al（鋁）、Zn（鋅）、Pb（鉛）等。金屬的膨脹公式為a1=a0(1+α·Δt) ， 式中，a0和a1分別為受熱前后金屬的長度；α為金屬的膨脹系數。當由金屬材料制成的諧振腔溫度升高時，諧振腔的體積和形狀會發生變化，從而引起諧振腔諧振頻率的變化。設諧振腔的原始溫度為t0，諧振頻率為f0；溫度變化后諧振腔的溫度為t1，諧振頻率為f1。溫度變化Δt=t1－t0，諧振頻率變化為Δf=f1－f0。下面，分別討論矩形波導腔、圓柱波導腔和同軸腔的溫度特性。

2.1 矩形波導諧振腔

當溫度為t0時，矩形波導諧振腔的三邊長分別為a0，b0和l0，它的諧振頻率為：

f0=c2ma02+nb02+pl02

當溫度變化時，可以假定矩形諧振腔的各棱邊等量變化，即諧振腔3條棱長分別變化為:

a0·(1+α·Δt)，b0·(1+α·Δt)和l0·(1+α·Δt)

此時，諧振腔的諧振頻率為：

f1=c2ma0(1+α·Δt)2+nb0(1+α·Δt)2+pl0(1+α·Δt)2=f01+α·Δt

諧振頻率變化量為:

Δf=f1－f0=－α·Δt1+α·Δt·f0

2.2 圓柱波導諧振腔

當溫度為t0時，圓柱波導諧振腔底面半徑為a0，高度為l0。它的諧振頻率為:

f0=c2μmn′πa02+pl02 TE模式

f0=c2μmnπa02+pl02 TM模式

同樣的，當溫度變化為Δt時，頻率變化為:

Δf=f1－f0=－α·Δt1+α·Δt·f0

2.3 電容加載同軸諧振腔

電容加載同軸諧振腔的諧振頻率滿足超越方程:

ωC=1Z0cotωlc

其中，C為諧振腔的加載電容；l為同軸諧振腔內導體的長度。當溫度變化時，同軸腔的內外導體都變長為原長度的1+α·Δt倍，諧振頻率會相應降低。

3 常見的溫度補償技術

由于溫度補償技術在實際應用中的重要性，出現了多種溫度補償技術。

3.1 改變諧振腔外形技術

對于矩形和圓柱波導諧振腔，它們的諧振頻率由諧振腔的外尺寸決定。因此，改變諧振腔的某些外形尺寸，可以達到溫度補償的效果。對于諧振腔不同的諧振模式，需要正確的選擇外形改動的位置。下面以矩形波導諧振腔為例。

圖1 改變腔體壁位置和形狀

在圖1中，圖(a)為腔體壁水平移動的情況，圖(b)為腔體壁受力變形的情況。這種溫度補償方法直觀有效，但缺點也很明顯。對于圖1(a)的情況，腔體壁由于可以自由移動，需要很好地解決移動腔體壁與其他腔體壁的接觸問題；對于圖1(b)的情況，由于腔體壁受力需要適當彎曲，因此在制作工藝上有較高要求。這種溫度補償方法需要的推動力比較大。

3.2 限制同軸腔內導體長度技術

對于電容加載的同軸諧振腔來說，溫度對諧振頻率的影響主要是內導體長度變化造成的。一種增加同軸諧振腔頻率穩定性的方法，就是限定同軸腔內導體的長度。如圖2所示。

在這種結構中，同軸腔的內導體由2部分組成，它們之間使用簧片接觸，使得這2部分可以相對的自由移動。內導體2跟外導體通過1根銦鋼棒連接在一起。由于銦鋼的熱膨脹系數很小，可以認為當溫度升高時，內導體2固定不動。雖然內導體1受熱膨脹，長度增加，但內導體的總長度并不發生改變，這樣就起到了穩定諧振頻率的作用。

這種做法有幾點不足。首先是溫度補償不完全。雖然這種結構可以保證溫度變化時內導體長度基本不變，但腔體外導體是有變化的，這對諧振腔的諧振頻率同樣是有影響的。其次就是簧片的接觸問題。簧片反復移動和摩擦可能會使得簧片失效。

3.3 同軸腔電容補償

對于電容加載同軸諧振腔來說，改變內外導體末端間的電容，可以有效地調節諧振腔的諧振頻率。所以，適當地改變內外導體間的電容，可以起到溫度補償的效果。如圖3所示。

圖2 限制同軸腔內導體技術

圖3 同軸腔電容補償技術

在這種結構中使用熱敏感材料，它們的熱膨脹系數比金屬大（如聚四氟乙烯），但該裝置等效的熱膨脹系數為負。即，當溫度升高時，熱敏感材料裝置的高度減小，金屬片同內導體的距離增大，內外導體間的電容減小，腔體的諧振頻率會相應的增加，從而補償諧振腔因為溫度升高而造成的頻率下降，達到溫度補償的效果。

3.4 介質球微擾技術

將一個介質球置入波導諧振腔體中，改變介質球的位置，可以改變諧振腔的諧振頻率。這樣，隨著溫度的變化，精確控制介質球的位置，也可以起到溫度補償的效果。

3.5 金屬導體微擾技術

目前有一類溫度補償方法，是基于微擾理論發展而來的，結構如4圖所示。圖4(a)顯示為向內擾動裝置，即隨溫度增加，金屬圓柱插入諧振腔，起到縮小諧振腔體積的效果；圖4(b)顯示為向外擾動裝置，即隨溫度增加，金屬圓柱拔出諧振腔，起到增大諧振腔體積的效果。

這類溫度補償裝置既可用于矩形和圓柱波導諧振腔，也可以應用在同軸腔中。將溫度補償裝置安裝在諧振腔合適的位置上，金屬圓柱插入諧振腔中。當溫度變化時，裝置中的熱敏動力源會推動金屬圓柱改變位置，從而調節諧振腔的頻率，起到溫度補償的效果。

圖4 內外擾動裝置

微擾理論表明，當向內擾動如果發生在磁場強點，將提高諧振腔的諧振頻率；當向內擾動發生在電場強點，將降低諧振腔的諧振頻率。向外擾動則產生相反的效果。顯然，當擾動是發生在最大的和零位置時，或者反過來當擾動是發生在最大的和零位置時，將發生諧振頻率最大的改變。諧振腔諧振頻率的微擾理論公式如下所示:

Δf/f0=C(Δτ/τ)

式中，Δf為擾動后的諧振腔頻率的變化量；f0為未受擾動時諧振腔的諧振頻率；Δτ為微擾所產生的體積變化量；τ為諧振腔受擾動前的體積；C為常數，僅決定于諧振腔的幾何形狀和微擾的位置。

這種結構目前有很多種實現的方案，重點在于動力源的選擇上。動力源可以分為有源和無源2大類。有源動力可以由低壓直流電源和電機組成；無源動力包括固體石蠟、記憶金屬、熱雙金屬片、特種酒精等。

4 結 語

隨著廣播、電視及通信技術的飛速發展，系統對微波濾波器的性能要求越來越高，大功率微波器件的溫度穩定性成為微波濾波器設計過程中需要重點考慮的指標，溫度補償技術必將隨著市場需求的增加而獲得快速發展。

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