UHF頻段濾波器的小型化設(shè)計(jì)

UHF頻段濾波器的小型化設(shè)計(jì)摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了螺旋諧振器濾波器的基本原理、設(shè)計(jì)方法，給出了一個(gè)UHF頻段五腔螺旋濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例。通過(guò)實(shí)例性能分析，濾波器的測(cè)試指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，重量、體積等均得到了明顯改善，充分說(shuō)明了螺旋諧振器型濾波器研究的必要性。關(guān)鍵詞：濾波器；螺旋諧振器；四分之一波長(zhǎng)引言伴隨無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，通信技術(shù)得到了不斷的提高。在通信技術(shù)中，濾波器是射頻電路中最重要的部件之一，在不同的通信領(lǐng)域需要不同形狀的濾波器來(lái)滿(mǎn)足特定的要求，因此需要設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)不同形狀的濾波器來(lái)滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。在一些特殊通信領(lǐng)域中對(duì)通信設(shè)備的體積、重量等指標(biāo)提出了更苛刻的要求，微波帶通濾波器作為無(wú)線通信設(shè)備中的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的體積、重量起著決定性的影響，尤其是在適合移動(dòng)通信的UHF頻段。為滿(mǎn)足小型化的要求，必須克服體積與性能指標(biāo)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)低插入損耗、高選擇性的帶通濾波器，使系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。基本原理同軸腔濾波器具有功率容量大、體積小、Q值高、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，能夠符合帶內(nèi)插損小、帶外抑制高的設(shè)計(jì)要求。常以四分之一波長(zhǎng)同軸線諧振器組成，主要實(shí)現(xiàn)形式有梳狀線濾波器、交叉指形濾波器等。但在近些年發(fā)展起來(lái)的移動(dòng)通信當(dāng)中，以UHF頻段為主，其波長(zhǎng)長(zhǎng)，繞射能力強(qiáng)，適合在復(fù)雜的城市環(huán)境中使用。以300MHz頻段為例，其四分之一波長(zhǎng)為25cm，考慮到外屏蔽腔和調(diào)諧螺釘后的濾波器尺寸會(huì)更大，很難滿(mǎn)足實(shí)際的使用要求。本文所討論的螺旋濾波器設(shè)計(jì)原理與同軸線諧振器組成的濾波器相似，不同之處在于，螺旋濾波器的內(nèi)導(dǎo)體是螺旋管形的，其軸向波長(zhǎng)僅為同軸傳輸線中波長(zhǎng)的（b為螺旋管的長(zhǎng)度；為繞制螺旋管導(dǎo)線總長(zhǎng)度），即繞制螺旋管的導(dǎo)線愈長(zhǎng)，圈數(shù)N愈多，沿螺旋管的軸線方向上傳播的速度降低也愈多。故采用具有螺旋內(nèi)導(dǎo)體的四分之一波長(zhǎng)短路同軸線作為諧振器，整個(gè)濾波器的物理長(zhǎng)度可以大大縮短。螺旋諧振器等效為一并聯(lián)諧振回路而被應(yīng)用于耦合諧振器帶通濾波器中。作為一個(gè)并聯(lián)諧振回路，有如下電參量表征它的電特征性：回路電感，電容，諧振頻率，無(wú)載品質(zhì)因數(shù)和特性阻抗。螺旋諧振器的常用設(shè)計(jì)形式有兩種：一、圓腔形螺旋諧振器；二、方腔形螺旋濾波器?？紤]加工和制作的方便，再此我們以圓腔形螺旋諧振器作為論述焦點(diǎn)。圖2-1示出了圓腔形螺旋諧振器的結(jié)構(gòu)圖。圖中參數(shù)定義如下： —屏蔽盒的內(nèi)壁直徑（cm）圖2-1、諧振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 —螺旋管的平均直徑（cm）圖2-1、諧振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 —屏蔽盒的內(nèi)部高度（cm） —螺旋管的長(zhǎng)度（cm） —繞制螺旋管的導(dǎo)線直徑（cm） —螺距（cm） —螺旋管的總匝數(shù)（匝） —單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)（匝/cm）螺旋濾波器的典型設(shè)計(jì)公式： （2-1） （2-2）【螺旋管各匝導(dǎo)線磁場(chǎng)的相互作用造成降低，此鄰近效應(yīng)影響最小的條件為式（2-1）、（2-2）】 （2-3）【達(dá)到最大時(shí)的最佳結(jié)構(gòu)尺寸】 （2-4）【最大】 （2-5）【最佳腔高】（2-6）（空氣介質(zhì)情況下）（2-7）（2-8）（2-9）（采用聚四氟乙烯作骨架情況下） 螺旋濾波器設(shè)計(jì)本文通過(guò)給定濾波器插入損耗、帶外抑制要求，求濾波器最小體積。指標(biāo)要求如下：中心頻率為335MHz；3dB帶寬≥5MHz；通帶中心插入損耗≤2.5dB；回波損耗≥15dB；40dB帶寬≤±10MHz。在此我們以圓腔形屏蔽盒進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的低通原型，確定選用五節(jié)諧振器進(jìn)行設(shè)計(jì)。查表可知=1.19，=3.24。根據(jù)公式可求得：U=4.65。由式（2-4）求得螺旋諧振腔的直徑：D=2.82cm。滿(mǎn)足用戶(hù)D≤3cm的使用要求，并留有一定余量。在此按諧振腔直徑D=3cm進(jìn)行設(shè)計(jì)；由式（2-3）求得螺旋線圈直徑：d=1.65cm。螺旋導(dǎo)體匝數(shù)：=4.76匝≈5匝。繞制螺旋管的導(dǎo)線直徑：=0.26cm≈3mm，則螺距=0.53cm≈6mm，螺旋管采用紅銅材料并進(jìn)行鍍銀處理。屏蔽腔采用五腔結(jié)構(gòu)，空腔直徑D=3cm，高H=4.2cm，外形為矩形，采用LY12硬鋁材料制成。鄰近腔之間的耦合有磁耦合和電耦合兩種方式。此次采用開(kāi)窗的方式設(shè)計(jì)，即磁耦合形式，通過(guò)在開(kāi)窗處增加調(diào)諧螺釘來(lái)調(diào)節(jié)級(jí)間耦合度，由于同軸腔的電場(chǎng)集中于開(kāi)路端，而磁場(chǎng)集中于短路端，所以耦合螺釘深入腔體基本不改變磁場(chǎng)分布而減弱了電耦合，因此整體上呈現(xiàn)的作用是增強(qiáng)耦合。磁耦合形式的腔體濾波器阻帶高端的抑制度會(huì)優(yōu)于阻帶低端。設(shè)計(jì)開(kāi)窗尺寸為：19×15mm。輸入輸出耦合也有電耦合和磁耦合兩種形式，電耦合常用于實(shí)現(xiàn)窄帶時(shí)較弱的耦合；磁耦合屬于常見(jiàn)的抽頭耦合方式，適用于1%以上的帶寬的應(yīng)用。在此采用了電耦合的方式。五腔螺旋濾波器設(shè)計(jì)外形尺寸為：159×34×50mm。通過(guò)采用Tonnesoftware公司的HelicalVersion2.05設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真，性能指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并留有一定的余量。螺旋濾波器仿真特性曲線如下圖3.1所示： 圖3.1濾波器仿真特性曲線 圖3.2濾波器實(shí)際測(cè)試曲線 通過(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)、加工、裝配和調(diào)試后，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent8720ES（50MHz~20GHz）測(cè)試濾波器的實(shí)際幅頻特性曲線，實(shí)際測(cè)試參數(shù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)照表如下表1所示： 表1：技術(shù)指標(biāo)要求仿真參數(shù)實(shí)際測(cè)試參數(shù)備注插入損耗≤2.5dB1.54dB1.80dB帶寬（3dB）≥6MHz331.8~338.3MHz331.3~338.8MHz回波損耗≥15dB≤15dB15.3dB帶外抑制（f0±10MHz）≥40dB≥55dB40.8dB結(jié)論通過(guò)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以看出螺旋濾波器的設(shè)計(jì)、制作是很成功的，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，且留有一定的余量。分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然在插入損耗等指標(biāo)方面會(huì)比同軸