45MHz寬帶螺旋帶通濾波器研究設計

2020-12-05 電子產品世界

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

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201909/405213.htm

　　摘　要為了提高無線電通信設備的抗幹擾能力，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仿真軟體進行仿真分析。根據仿真波形，對各參數進行調整，確定結構參數，利用HFSS仿真軟體建立濾波器模型。採用網絡分析儀調試電路，得到了理想的濾波器波形。

　　關鍵詞：螺旋帶通濾波器；ADS仿真軟體；HFSS仿真軟體

　　0 引言

　　隨著無線電通信技術的快速發展，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，各自均有優缺點。本文介紹的45MHz帶通濾波器採用螺旋濾波器和『開窗』耦合方式實現。螺旋濾波器是一種腔體結構，由多個腔體構成，每個腔體就是一個由螺旋狀的金屬線和空腔組成的諧振器，各個空腔諧振器之間通過「開窗」進行信號的耦合，構成了特定頻率的信號傳輸通道。螺旋濾波器具有體積小、無載Q值高、加工容易等優點。

　　1 組成及原理

　　1.1 組成

　　帶通濾波器由4個腔體構成，每個腔體由螺旋諧振腔1、諧振線圈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稱，採用螺旋諧振器來實現耦合諧振器濾波器中的並聯諧振迴路。特點是：較窄的相對帶寬，低插入損耗、體積小和製作容易等。

　　螺旋諧振器類似於四分之一波長的同軸線諧振器，依據式 [1] 可得λ/4 =1.667米，45MHz的同軸線諧振器尺寸太大。而採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，為減少金屬損耗屏蔽盒一般採用鍍銀工藝。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。目前廣泛採用的是方腔的形式。

　　1.2.1 原理設計與仿真

　　綜合考慮設計要求後，採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足設計目標。

　　對於螺旋濾波器結構，由於腔內螺旋導線的存在，給出的邊界條件複雜，用電磁場和電磁波的方法進行分析、設計比較困難。本文中採用原型電路設計法，將螺旋濾波器中的一個諧振腔看成一個LC的集中參數單元，4個串聯腔體的濾波器等效成集中參數電路，利用ADS仿真軟體 [3] 建立如圖2所示的原理仿真圖，並得到如圖3所示的數據結果。

　　ADS原理仿真結果滿足設計要求。原理仿真採用了4個螺旋諧振器實現濾波器設計，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 為校正係數 [1] ；

　　q min 為諧振器歸一化的最小品質因素 [1] 。

　　其中n為諧振器數量。

　　依據設計指標要求為插損≤1.5dB，依據指標冗餘設計在理論計算時插損按≤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。

　　螺旋諧振器採用方腔形式，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 載 Q 0 設 計 原 則 式（6）～（9） [1] ：

　　其中S為屏蔽盒的內壁邊長（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仿真軟體建立三維電磁場仿真模型 [4] 。如圖4所示。

　　4個螺旋諧振器之間採用『開窗』耦合的形式，且利用頂部螺杆控制耦合相鄰諧振器間的耦合量。在線圈中部設有諧振頻率調諧螺杆實現濾波器頻率調節。仿真數據如圖5所示。

　　2 濾波器實物

　　2.1實物外形

　　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實物設計

　　實物結構材料採用銅，其具有良好的導電性和熱膨脹係數。依據結構強度和調整螺杆螺紋需求留取一定壁厚。螺旋濾波器外部和內部均進行了鍍銀處理，表面保證平整光潔。每個螺杆均利用螺母和齒狀墊圈實現『鎖死』定位。

　　為了減少射頻損耗採取了幾個措施：

　　1）腔體材料採用銅且內部表面採用鍍銀工藝；

　　2）螺杆均採用鍍銀螺杆，且設計時儘量處於螺旋線圈和耦合『窗口』中部；

　　3）螺旋線圈射頻損內部骨架採用聚四氟乙烯材料，利於加工且介電常數小；

　　4）螺旋線圈採用鍍銀銅線；

　　5）整體結構採用一體化成形，不能拼裝。

　　2.3實物測試指標

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

　　經過高低溫試驗測試；

　　損耗和選擇性沒有發生變化。

　　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（工作溫度範圍內）；

　　9）選擇性變化：±1dB（工作溫度範圍內）；

　　4 結論

　　該螺旋濾波器具有選擇性高、損耗小、穩定性強的優點。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。該螺旋濾波器是短波寬帶超外差接收機的重要模塊，為接收機廣泛應用於複雜電磁環境提供支持，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：電子工業出版社，2013.[M].北京：電子工業出版社，2013.

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

　　[4] 馮奎勝，李娜，李勁 .Ansoft HFSS入門教程與仿真實例[M].北京：電子工業出版社，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，研究方向為電子線路和無線電通信。

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第44頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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