45MHz寬帶螺旋帶通濾波器研究設(shè)計(jì)

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

　　摘　要為了提高無線電通信設(shè)備的抗干擾能力，設(shè)計(jì)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(jù)仿真波形，對各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用HFSS仿真軟件建立濾波器模型。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)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

　　隨著無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，短波頻率資源嚴(yán)重匱乏，多頻率工作比較普遍，因此濾波器的設(shè)計(jì)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型，其中晶體濾波器、聲表濾波器、LC濾波器應(yīng)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‘開窗’耦合方式實(shí)現(xiàn)。螺旋濾波器是一種腔體結(jié)構(gòu)，由多個(gè)腔體構(gòu)成，每個(gè)腔體就是一個(gè)由螺旋狀的金屬線和空腔組成的諧振器，各個(gè)空腔諧振器之間通過“開窗”進(jìn)行信號的耦合，構(gòu)成了特定頻率的信號傳輸通道。螺旋濾波器具有體積小、無載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(gòu)成，每個(gè)腔體由螺旋諧振腔1、諧振線圈2、調(diào)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稱，采用螺旋諧振器來實(shí)現(xiàn)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。

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

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

　　螺旋諧振器封閉在屏蔽空間內(nèi)，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(jì)算有所區(qū)別。目前廣泛采用的是方腔的形式。

　　1.2.1 原理設(shè)計(jì)與仿真

　　綜合考慮設(shè)計(jì)要求后，采用了分離元件與螺旋諧振器混合設(shè)計(jì)方式，根據(jù)濾波器的衰減特性，確定四級諧振單元可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　對于螺旋濾波器結(jié)構(gòu)，由于腔內(nèi)螺旋導(dǎo)線的存在，給出的邊界條件復(fù)雜，用電磁場和電磁波的方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)比較困難。本文中采用原型電路設(shè)計(jì)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(shù)單元，4個(gè)串聯(lián)腔體的濾波器等效成集中參數(shù)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(shù)據(jù)結(jié)果。

　　ADS原理仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。原理仿真采用了4個(gè)螺旋諧振器實(shí)現(xiàn)濾波器設(shè)計(jì)，且可以得到 △f _3dB 為2.6MHz。

　　1.2.2 螺旋諧振器理論計(jì)算

　　依據(jù)最平和切比雪夫型濾波器的設(shè)計(jì)理論 ^[1] ：

　　其中K 0 為校正系數(shù) ^[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(shù)量。

　　依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為插損≤1.5dB，依據(jù)指標(biāo)冗余設(shè)計(jì)在理論計(jì)算時(shí)插損按≤1.2dB設(shè)計(jì)：

　　根據(jù)式（3）可得：U=8.76；

　　根據(jù)式（5）可得：Q _min =45；

　　根據(jù)式（4）可得： Q₀=395。

　　螺旋諧振器采用方腔形式，內(nèi)部表面要求光滑，以下方法計(jì)算螺旋腔體結(jié)構(gòu)尺寸。

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

　　其中S為屏蔽盒的內(nèi)壁邊長（cm），d為螺旋管的平均直徑（cm），H為屏蔽盒的內(nèi)部高度（cm），b為螺旋管的長度（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(shè)計(jì)與仿真

　　依據(jù)理論計(jì)算的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)且利用HFSS仿真軟件建立三維電磁場仿真模型 ^[4] 。如圖4所示。

　　4個(gè)螺旋諧振器之間采用‘開窗’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。在線圈中部設(shè)有諧振頻率調(diào)諧螺桿實(shí)現(xiàn)濾波器頻率調(diào)節(jié)。仿真數(shù)據(jù)如圖5所示。

　　2 濾波器實(shí)物

　　2.1實(shí)物外形

　　依據(jù)三維仿真模型的尺寸設(shè)計(jì)螺旋諧振器腔體，具體外形如圖6所示。

　　2.2實(shí)物設(shè)計(jì)

　　實(shí)物結(jié)構(gòu)材料采用銅，其具有良好的導(dǎo)電性和熱膨脹系數(shù)。依據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和調(diào)整螺桿螺紋需求留取一定壁厚。螺旋濾波器外部和內(nèi)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(xiàn)‘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(nèi)部表面采用鍍銀工藝；

　　2）螺桿均采用鍍銀螺桿，且設(shè)計(jì)時(shí)盡量處于螺旋線圈和耦合‘窗口’中部；

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

　　4）螺旋線圈采用鍍銀銅線；

　　5）整體結(jié)構(gòu)采用一體化成形，不能拼裝。

　　2.3實(shí)物測試指標(biāo)

　　上述設(shè)計(jì)在實(shí)物調(diào)試過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)物測量曲線和如表3所示的測試數(shù)據(jù)值。

　　經(jīng)過高低溫試驗(yàn)測試；

　　損耗和選擇性沒有發(fā)生變化。

　　3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　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(nèi)）；

　　9）選擇性變化：±1dB（工作溫度范圍內(nèi)）；

　　4 結(jié)論

　　該螺旋濾波器具有選擇性高、損耗小、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)Χ滩ń邮諜C(jī)中頻帶外信號雜散有效抑制，其彌補(bǔ)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(jī)的重要模塊，為接收機(jī)廣泛應(yīng)用于復(fù)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(xiàn)

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

　　[2] Ludwig R.，Bogdanov，G.射頻電路設(shè)計(jì)：理論與應(yīng)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(shè)計(jì)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入門教程與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

　　作者簡介

　　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?yàn)殡娮泳€路和無線電通信。

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