UHF頻段濾波器的小型化設計摘要：本文簡要介紹了螺旋諧振器濾波器的基本原理、設計方法，給出了一個UHF頻段五腔螺旋濾波器的設計實例。通過實例性能分析，濾波器的測試指標滿足設計要求，重量、體積等均得到了明顯改善，充分說明了螺旋諧振器型濾波器研究的必要性。關鍵詞：濾波器；螺旋諧振器；四分之一波長引言伴隨無線通信產業的迅猛發展，通信技術得到了不斷的提高。在通信技術中，濾波器是射頻電路中最重要的部件之一，在不同的通信領域需要不同形狀的濾波器來滿足特定的要求，因此需要設計師設計不同形狀的濾波器來滿足不同的應用需求。在一些特殊通信領域中對通信設備的體積、重量等指標提出了更苛刻的要求，微波帶通濾波器作為無線通信設備中的重要部件之一，其結構設計對系統的體積、重量起著決定性的影響，尤其是在適合移動通信的UHF頻段。為滿足小型化的要求，必須克服體積與性能指標之間的矛盾，實現低插入損耗、高選擇性的帶通濾波器，使系統的性能和結構達到最優化。基本原理同軸腔濾波器具有功率容量大、體積小、Q值高、易于實現的特點，能夠符合帶內插損小、帶外抑制高的設計要求。常以四分之一波長同軸線諧振器組成，主要實現形式有梳狀線濾波器、交叉指形濾波器等。但在近些年發展起來的移動通信當中，以UHF頻段為主，其波長長，繞射能力強，適合在復雜的城市環境中使用。以300MHz頻段為例，其四分之一波長為25cm，考慮到外屏蔽腔和調諧螺釘后的濾波器尺寸會更大，很難滿足實際的使用要求。本文所討論的螺旋濾波器設計原理與同軸線諧振器組成的濾波器相似，不同之處在于，螺旋濾波器的內導體是螺旋管形的，其軸向波長僅為同軸傳輸線中波長的（b為螺旋管的長度；為繞制螺旋管導線總長度），即繞制螺旋管的導線愈長，圈數N愈多，沿螺旋管的軸線方向上傳播的速度降低也愈多。故采用具有螺旋內導體的四分之一波長短路同軸線作為諧振器，整個濾波器的物理長度可以大大縮短。螺旋諧振器等效為一并聯諧振回路而被應用于耦合諧振器帶通濾波器中。作為一個并聯諧振回路，有如下電參量表征它的電特征性：回路電感，電容，諧振頻率，無載品質因數和特性阻抗。螺旋諧振器的常用設計形式有兩種：一、圓腔形螺旋諧振器；二、方腔形螺旋濾波器。考慮加工和制作的方便，再此我們以圓腔形螺旋諧振器作為論述焦點。圖2-1示出了圓腔形螺旋諧振器的結構圖。圖中參數定義如下： —屏蔽盒的內壁直徑（cm）圖2-1、諧振器內部結構圖 —螺旋管的平均直徑（cm）圖2-1、諧振器內部結構圖 —屏蔽盒的內部高度（cm） —螺旋管的長度（cm） —繞制螺旋管的導線直徑（cm） —螺距（cm） —螺旋管的總匝數（匝） —單位長度上的匝數（匝/cm）螺旋濾波器的典型設計公式： （2-1） （2-2）【螺旋管各匝導線磁場的相互作用造成降低，此鄰近效應影響最小的條件為式（2-1）、（2-2）】 （2-3）【達到最大時的最佳結構尺寸】 （2-4）【最大】 （2-5）【最佳腔高】（2-6）（空氣介質情況下）（2-7）（2-8）（2-9）（采用聚四氟乙烯作骨架情況下） 螺旋濾波器設計本文通過給定濾波器插入損耗、帶外抑制要求，求濾波器最小體積。指標要求如下：中心頻率為335MHz；3dB帶寬≥5MHz；通帶中心插入損耗≤2.5dB；回波損耗≥15dB；40dB帶寬≤±10MHz。在此我們以圓腔形屏蔽盒進行設計。根據選定的低通原型，確定選用五節諧振器進行設計。查表可知=1.19，=3.24。根據公式可求得：U=4.65。由式（2-4）求得螺旋諧振腔的直徑：D=2.82cm。滿足用戶D≤3cm的使用要求，并留有一定余量。在此按諧振腔直徑D=3cm進行設計；由式（2-3）求得螺旋線圈直徑：d=1.65cm。螺旋導體匝數：=4.76匝≈5匝。繞制螺旋管的導線直徑：=0.26cm≈3mm，則螺距=0.53cm≈6mm，螺旋管采用紅銅材料并進行鍍銀處理。屏蔽腔采用五腔結構，空腔直徑D=3cm，高H=4.2cm，外形為矩形，采用LY12硬鋁材料制成。鄰近腔之間的耦合有磁耦合和電耦合兩種方式。此次采用開窗的方式設計，即磁耦合形式，通過在開窗處增加調諧螺釘來調節級間耦合度，由于同軸腔的電場集中于開路端，而磁場集中于短路端，所以耦合螺釘深入腔體基本不改變磁場分布而減弱了電耦合，因此整體上呈現的作用是增強耦合。磁耦合形式的腔體濾波器阻帶高端的抑制度會優于阻帶低端。設計開窗尺寸為：19×15mm。輸入輸出耦合也有電耦合和磁耦合兩種形式，電耦合常用于實現窄帶時較弱的耦合；磁耦合屬于常見的抽頭耦合方式，適用于1%以上的帶寬的應用。在此采用了電耦合的方式。五腔螺旋濾波器設計外形尺寸為：159×34×50mm。通過采用Tonnesoftware公司的HelicalVersion2.05設計軟件進行仿真，性能指標滿足設計要求，并留有一定的余量。螺旋濾波器仿真特性曲線如下圖3.1所示： 圖3.1濾波器仿真特性曲線 圖3.2濾波器實際測試曲線 通過實際的設計、加工、裝配和調試后，由矢量網絡分析儀Agilent8720ES（50MHz~20GHz）測試濾波器的實際幅頻特性曲線，實際測試參數與仿真數據對照表如下表1所示： 表1：技術指標要求仿真參數實際測試參數備注插入損耗≤2.5dB1.54dB1.80dB帶寬（3dB）≥6MHz331.8~338.3MHz331.3~338.8MHz回波損耗≥15dB≤15dB15.3dB帶外抑制（f0±10MHz）≥40dB≥55dB40.8dB結論通過表1實驗數據分析，可以看出螺旋濾波器的設計、制作是很成功的，完全滿足設計指標的要求，且留有一定的余量。分析可以發現，雖然在插入損耗等指標方面會比同軸