UHF频段滤波器的小型化设计

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1、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；四分之一波长一、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

2、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。二、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

3、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，b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厂(b为螺旋管n的长度；l为绕制螺旋管导线总长度)，即绕制螺旋管的导线l愈长，圈数N愈多，沿螺旋 nn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。图2-1、谐振器内部结构图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

4、征性：回路电感厶，电容C，谐振 频率f，无载品质因数Q和特性阻抗Z。OOC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：D 一屏蔽盒的内壁直径(cm)d 螺旋管的平均直径(cm)H 一屏蔽盒的内部高度(cm)b 螺旋管的长度(cm)绕制螺旋管的导线直径(cm)t 螺距（cm）N 螺旋管的总匝数（匝）n 单位长度上的匝数（匝/cm） O螺旋滤波器的典型设计公式：1 b 2（2-1）d0.4n 0 0.6 （2-2）【螺旋管各匝导线磁场的相互

5、作用造成Q降低，此邻近效应O O O影响最小的条件为式（2-1）、（2-2）】d0.55（2-3）【达到最大Q时的最佳结构尺寸】DOQO沁 20D（2-4）【最大Qo】2-5）【最佳腔高】5000N =f O2-6）（空气介质情况下）12nO2-7)f 2O120002-8)_ 2.50 x 105C f ON =（2-9）（采用聚四氟乙烯作骨架情况下）fO 三、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带宽纣 三5MHz；通带中心插入损耗A W2.5dB；回波损耗三 3dB015dB； 40dB带宽纣W10MHz

6、。在此我们以圆腔形屏蔽盒进行设计。40dBa） 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K0 =1.19q =3.24。minb）根据公式A二20K log U 可求得：U=4.65。0010 U 1c）由式（2-4）求得螺旋谐振腔的直径：D=2.82cm。满足用户DW3cm的使用要求， 并留有一定余量。d）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。e） 螺旋导体匝数： N5000市=4.76氐5匝。Of） 绕 制螺旋管的导 线直径 ：12nOfD2O12000=0.26cm 沁 3mm，则螺距fD20=0.53cma6mm6000螺

7、旋管采用红铜材料并进行镀银处理。g）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。h）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 x15mm。i）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

8、，适用于1% 以上的带宽的应用。在此采用了 电耦合的方式。j）五腔螺旋滤波器设计外形尺寸为：159 x34 x50mm。通过采用Tonnesoftwar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：Transmission, dBReturn, dB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 Agilent8720ES50MHz20GHz ）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6MHz331.8338.3MHz331.3338.8MHz回波损耗15dB40dB55dB40.8dB四、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线形 式的滤波器有所增加，但螺旋谐振器形式的滤波器结构尺寸要小的多。对于现代迅猛发展的 移动通信行业来说，苛刻的体积要求也许是整个设计的重心，特别是螺旋谐振器滤波器在移 动图像传输系统中的应用，对设计研究提出了更高的要求，这是在设计中必须要特别重视的 问题。