45MHz寬帶螺旋帶通濾波器研究設計

　　江?燕，廖?偉，唐冬生（同方電子科技有限公司，江西?九江??332100）

　　摘　要為了提高無(wú)線(xiàn)電通信設備的抗干擾能力，設計了一種寬帶螺旋帶通濾波器，闡述了螺旋諧振腔的原理，利用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真分析。根據仿真波形，對各參數進(jìn)行調整，確定結構參數，利用HFSS仿真軟件建立濾波器模型。采用網(wǎng)絡(luò )分析儀調試電路，得到了理想的濾波器波形。

　　關(guān)鍵詞：螺旋帶通濾波器；ADS仿真軟件；HFSS仿真軟件

　　0 引言

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)的快速發(fā)展，短波頻率資源嚴重匱乏，多頻率工作比較普遍，因此濾波器的設計和使用尤為重要。帶通濾波器對信號頻率具有選擇性，在電路中起到選頻和分頻的作用，良好的帶外抑制能力和通帶損耗能更好地提高射頻電路性能。短波帶通濾波器有許多類(lèi)型，其中晶體濾波器、聲表濾波器、LC濾波器應用較多，各自均有優(yōu)缺點(diǎn)。本文介紹的45MHz帶通濾波器采用螺旋濾波器和‘開(kāi)窗’耦合方式實(shí)現。螺旋濾波器是一種腔體結構，由多個(gè)腔體構成，每個(gè)腔體就是一個(gè)由螺旋狀的金屬線(xiàn)和空腔組成的諧振器，各個(gè)空腔諧振器之間通過(guò)“開(kāi)窗”進(jìn)行信號的耦合，構成了特定頻率的信號傳輸通道。螺旋濾波器具有體積小、無(wú)載Q值高、加工容易等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 組成及原理

　　1.1 組成

　　帶通濾波器由4個(gè)腔體構成，每個(gè)腔體由螺旋諧振腔1、諧振線(xiàn)圈2、調諧螺釘3、耦合螺釘4、骨架5組成，如圖1所示。

　　1.2 螺旋濾波器原理

　　螺旋濾波器是螺旋諧振器濾波器的簡(jiǎn)稱(chēng)，采用螺旋諧振器來(lái)實(shí)現耦合諧振器濾波器中的并聯(lián)諧振回路。特點(diǎn)是：較窄的相對帶寬，低插入損耗、體積小和制作容易等。

　　螺旋諧振器類(lèi)似于四分之一波長(cháng)的同軸線(xiàn)諧振器，依據式 [1] 可得λ/4 =1.667米，45MHz的同軸線(xiàn)諧振器尺寸太大。而采用螺旋諧振器體積上能夠比同軸線(xiàn)諧振器小很多且能保持較高無(wú)載Q值。

　　其中 V 為光速（30萬(wàn)km/s）；f為諧振頻率（45MHz）；λ為波長(cháng)。

　　螺旋諧振器封閉在屏蔽空間內，為減少金屬損耗屏蔽盒一般采用鍍銀工藝。諧振頻率遵循公式2 ^[2] ：

　　螺旋諧振器分為圓腔和方腔形式，其理論計算有所區別。目前廣泛采用的是方腔的形式。

　　1.2.1 原理設計與仿真

　　綜合考慮設計要求后，采用了分離元件與螺旋諧振器混合設計方式，根據濾波器的衰減特性，確定四級諧振單元可以滿(mǎn)足設計目標。

　　對于螺旋濾波器結構，由于腔內螺旋導線(xiàn)的存在，給出的邊界條件復雜，用電磁場(chǎng)和電磁波的方法進(jìn)行分析、設計比較困難。本文中采用原型電路設計法，將螺旋濾波器中的一個(gè)諧振腔看成一個(gè)LC的集中參數單元，4個(gè)串聯(lián)腔體的濾波器等效成集中參數電路，利用ADS仿真軟件 ^[3] 建立如圖2所示的原理仿真圖，并得到如圖3所示的數據結果。

　　ADS原理仿真結果滿(mǎn)足設計要求。原理仿真采用了4個(gè)螺旋諧振器實(shí)現濾波器設計，且可以得到 △f _3dB 為2.6MHz。

　　1.2.2 螺旋諧振器理論計算

　　依據最平和切比雪夫型濾波器的設計理論 ^[1] ：

　　其中K 0 為校正系數 ^[1] ；

　　q _min 為諧振器歸一化的最小品質(zhì)因素 ^[1] 。

　　其中n為諧振器數量。

　　依據設計指標要求為插損≤1.5dB，依據指標冗余設計在理論計算時(shí)插損按≤1.2dB設計：

　　根據式（3）可得：U=8.76；

　　根據式（5）可得：Q _min =45；

　　根據式（4）可得： Q₀=395。

　　螺旋諧振器采用方腔形式，內部表面要求光滑，以下方法計算螺旋腔體結構尺寸。

　　依 據 方 形 螺 旋 腔 體 最 佳 無(wú) 載 Q ₀ 設 計 原 則 式（6）～（9） ^[1] ：

　　其中S為屏蔽盒的內壁邊長(cháng)（cm），d為螺旋管的平均直徑（cm），H為屏蔽盒的內部高度（cm），b為螺旋管的長(cháng)度（cm）， f₀單位為MHz。

　　得出：螺旋諧振器尺寸為： S ＝2.45cm， d ＝1.62cm，b＝2.43cm，H＝3.9cm；

　　1.2.3 三維模型設計與仿真

　　依據理論計算的結構尺寸數據且利用HFSS仿真軟件建立三維電磁場(chǎng)仿真模型 ^[4] 。如圖4所示。

　　4個(gè)螺旋諧振器之間采用‘開(kāi)窗’耦合的形式，且利用頂部螺桿控制耦合相鄰諧振器間的耦合量。在線(xiàn)圈中部設有諧振頻率調諧螺桿實(shí)現濾波器頻率調節。仿真數據如圖5所示。

　　2 濾波器實(shí)物

　　2.1實(shí)物外形

　　依據三維仿真模型的尺寸設計螺旋諧振器腔體，具體外形如圖6所示。

　　2.2實(shí)物設計

　　實(shí)物結構材料采用銅，其具有良好的導電性和熱膨脹系數。依據結構強度和調整螺桿螺紋需求留取一定壁厚。螺旋濾波器外部和內部均進(jìn)行了鍍銀處理，表面保證平整光潔。每個(gè)螺桿均利用螺母和齒狀墊圈實(shí)現‘鎖死’定位。

　　為了減少射頻損耗采取了幾個(gè)措施：

　　1）腔體材料采用銅且內部表面采用鍍銀工藝；

　　2）螺桿均采用鍍銀螺桿，且設計時(shí)盡量處于螺旋線(xiàn)圈和耦合‘窗口’中部；

　　3）螺旋線(xiàn)圈射頻損內部骨架采用聚四氟乙烯材料，利于加工且介電常數??；

　　4）螺旋線(xiàn)圈采用鍍銀銅線(xiàn)；

　　5）整體結構采用一體化成形，不能拼裝。

　　2.3實(shí)物測試指標

　　上述設計在實(shí)物調試過(guò)程中存在一些偏差但不影響整體性能，得到如圖7所示的實(shí)物測量曲線(xiàn)和如表3所示的測試數據值。

　　經(jīng)過(guò)高低溫試驗測試；

　　損耗和選擇性沒(méi)有發(fā)生變化。

　　3 設計目標

　　1）中心頻率：45MHz；

　　2）最大輸入功率：20dBm；

　　3）駐波比：≤2.0；

　　4）1dB帶寬：（44～46）MHz；

　　5）插損：≤1.5dB；

　　6）選擇性：≥10dB（偏離f ₀ +2MHz以外）；

　　7）工作溫度：﹣40℃～85℃。

　　8）插損變化：±0.5dB（工作溫度范圍內）；

　　9）選擇性變化：±1dB（工作溫度范圍內）；

　　4 結論

　　該螺旋濾波器具有選擇性高、損耗小、穩定性強的優(yōu)點(diǎn)。能夠對短波接收機中頻帶外信號雜散有效抑制，其彌補了晶體濾波器帶寬窄、聲表濾波器損耗大和頻率高的缺點(diǎn)。該螺旋濾波器是短波寬帶超外差接收機的重要模塊，為接收機廣泛應用于復雜電磁環(huán)境提供支持，使其具有良好的使用前景。

　　參考文獻

　　[1] 成都電訊工程學(xué)院 七系.LC濾波器和螺旋濾波器的設計[M].北京：人民郵電出版社，1978.

　　[2] Ludwig R.，Bogdanov，G.射頻電路設計：理論與應用：第2版[M]，王子宇，王心悅，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

　　[3] 徐興福 .ADS2008 射頻電路設計與仿真實(shí)例：2版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

　　[4] 馮奎勝，李娜，李勁 .Ansoft HFSS入門(mén)教程與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

　　作者簡(jiǎn)介

　　江燕(1981—)，女，江西宜春人，同方電子科技有限公司工程師，研究方向為電子線(xiàn)路和無(wú)線(xiàn)電通信。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第44頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。