UHF频段滤波器的小型化设计

UHF频段滤波器的小型化设计摘要：本文简要介绍了螺旋谐振器滤波器的基本原理、设计方法，给出了一个UHF频段五腔螺旋滤波器的设计实例。通过实例性能分析，滤波器的测试指标满足设计要求，重量、体积等均得到了明显改善，充分说明了螺旋谐振器型滤波器研究的必要性。关键词：滤波器；螺旋谐振器；四分之一波长引言伴随无线通信产业的迅猛发展，通信技术得到了不断的提高。在通信技术中，滤波器是射频电路中最重要的部件之一，在不同的通信领域需要不同形状的滤波器来满足特定的要求，因此需要设计师设计不同形状的滤波器来满足不同的应用需求。在一些特殊通信领域中对通信设备的体积、重量等指标提出了更苛刻的要求，微波带通滤波器作为无线通信设备中的重要部件之一，其结构设计对系统的体积、重量起着决定性的影响，尤其是在适合移动通信的UHF频段。为满足小型化的要求，必须克服体积与性能指标之间的矛盾，实现低插入损耗、高选择性的带通滤波器，使系统的性能和结构达到最优化。基本原理同轴腔滤波器具有功率容量大、体积小、Q值高、易于实现的特点，能够符合带内插损小、带外抑制高的设计要求。常以四分之一波长同轴线谐振器组成，主要实现形式有梳状线滤波器、交叉指形滤波器等。但在近些年发展起来的移动通信当中，以UHF频段为主，其波长长，绕射能力强，适合在复杂的城市环境中使用。以300MHz频段为例，其四分之一波长为25cm，考虑到外屏蔽腔和调谐螺钉后的滤波器尺寸会更大，很难满足实际的使用要求。本文所讨论的螺旋滤波器设计原理与同轴线谐振器组成的滤波器相似，不同之处在于，螺旋滤波器的内导体是螺旋管形的，其轴向波长仅为同轴传输线中波长的（b为螺旋管的长度；为绕制螺旋管导线总长度），即绕制螺旋管的导线愈长，圈数N愈多，沿螺旋管的轴线方向上传播的速度降低也愈多。故采用具有螺旋内导体的四分之一波长短路同轴线作为谐振器，整个滤波器的物理长度可以大大缩短。螺旋谐振器等效为一并联谐振回路而被应用于耦合谐振器带通滤波器中。作为一个并联谐振回路，有如下电参量表征它的电特征性：回路电感，电容，谐振频率，无载品质因数和特性阻抗。螺旋谐振器的常用设计形式有两种：一、圆腔形螺旋谐振器；二、方腔形螺旋滤波器。考虑加工和制作的方便，再此我们以圆腔形螺旋谐振器作为论述焦点。图2-1示出了圆腔形螺旋谐振器的结构图。图中参数定义如下： —屏蔽盒的内壁直径（cm）图2-1、谐振器内部结构图 —螺旋管的平均直径（cm）图2-1、谐振器内部结构图 —屏蔽盒的内部高度（cm） —螺旋管的长度（cm） —绕制螺旋管的导线直径（cm） —螺距（cm） —螺旋管的总匝数（匝） —单位长度上的匝数（匝/cm）螺旋滤波器的典型设计公式： （2-1） （2-2）【螺旋管各匝导线磁场的相互作用造成降低，此邻近效应影响最小的条件为式（2-1）、（2-2）】 （2-3）【达到最大时的最佳结构尺寸】 （2-4）【最大】 （2-5）【最佳腔高】（2-6）（空气介质情况下）（2-7）（2-8）（2-9）（采用聚四氟乙烯作骨架情况下） 螺旋滤波器设计本文通过给定滤波器插入损耗、带外抑制要求，求滤波器最小体积。指标要求如下：中心频率为335MHz；3dB带宽≥5MHz；通带中心插入损耗≤2.5dB；回波损耗≥15dB；40dB带宽≤±10MHz。在此我们以圆腔形屏蔽盒进行设计。根据选定的低通原型，确定选用五节谐振器进行设计。查表可知=1.19，=3.24。根据公式可求得：U=4.65。由式（2-4）求得螺旋谐振腔的直径：D=2.82cm。满足用户D≤3cm的使用要求，并留有一定余量。在此按谐振腔直径D=3cm进行设计；由式（2-3）求得螺旋线圈直径：d=1.65cm。螺旋导体匝数：=4.76匝≈5匝。绕制螺旋管的导线直径：=0.26cm≈3mm，则螺距=0.53cm≈6mm，螺旋管采用红铜材料并进行镀银处理。屏蔽腔采用五腔结构，空腔直径D=3cm，高H=4.2cm，外形为矩形，采用LY12硬铝材料制成。邻近腔之间的耦合有磁耦合和电耦合两种方式。此次采用开窗的方式设计，即磁耦合形式，通过在开窗处增加调谐螺钉来调节级间耦合度，由于同轴腔的电场集中于开路端，而磁场集中于短路端，所以耦合螺钉深入腔体基本不改变磁场分布而减弱了电耦合，因此整体上呈现的作用是增强耦合。磁耦合形式的腔体滤波器阻带高端的抑制度会优于阻带低端。设计开窗尺寸为：19×15mm。输入输出耦合也有电耦合和磁耦合两种形式，电耦合常用于实现窄带时较弱的耦合；磁耦合属于常见的抽头耦合方式，适用于1%以上的带宽的应用。在此采用了电耦合的方式。五腔螺旋滤波器设计外形尺寸为：159×34×50mm。通过采用Tonnesoftware公司的HelicalVersion2.05设计软件进行仿真，性能指标满足设计要求，并留有一定的余量。螺旋滤波器仿真特性曲线如下图3.1所示： 图3.1滤波器仿真特性曲线 图3.2滤波器实际测试曲线 通过实际的设计、加工、装配和调试后，由矢量网络分析仪Agilent8720ES（50MHz~20GHz）测试滤波器的实际幅频特性曲线，实际测试参数与仿真数据对照表如下表1所示： 表1：技术指标要求仿真参数实际测试参数备注插入损耗≤2.5dB1.54dB1.80dB带宽（3dB）≥6MHz331.8~338.3MHz331.3~338.8MHz回波损耗≥15dB≤15dB15.3dB带外抑制（f0±10MHz）≥40dB≥55dB40.8dB结论通过表1实验数据分析，可以看出螺旋滤波器的设计、制作是很成功的，完全满足设计指标的要求，且留有一定的余量。分析可以发现，虽然在插入损耗等指标方面会比同轴