45MHz宽带螺旋带通滤波器研究设计
江 燕，廖 伟，唐冬生（同方电子科技有限公司，江西 九江 332100）
摘 要为了提高无线电通信设备的抗干扰能力，设计了一种宽带螺旋带通滤波器，阐述了螺旋谐振腔的原理，利用ADS仿真软件进行仿真分析。根据仿真波形，对各参数进行调整，确定结构参数，利用HFSS仿真软件建立滤波器模型。采用网络分析仪调试电路，得到了理想的滤波器波形。
0 引言
随着无线电通信技术的快速发展，短波频率资源严重匮乏，多频率工作比较普遍，因此滤波器的设计和使用尤为重要。带通滤波器对信号频率具有选择性，在电路中起到选频和分频的作用，良好的带外抑制能力和通带损耗能更好地提高射频电路性能。短波带通滤波器有许多类型，其中晶体滤波器、声表滤波器、LC滤波器应用较多，各自均有优缺点。本文介绍的45MHz带通滤波器采用螺旋滤波器和‘开窗’耦合方式实现。螺旋滤波器是一种腔体结构，由多个腔体构成，每个腔体就是一个由螺旋状的金属线和空腔组成的谐振器，各个空腔谐振器之间通过“开窗”进行信号的耦合，构成了特定频率的信号传输通道。螺旋滤波器具有体积小、无载Q值高、加工容易等优点。
1 组成及原理
1.1 组成
带通滤波器由4个腔体构成，每个腔体由螺旋谐振腔1、谐振线圈2、调谐螺钉3、耦合螺钉4、骨架5组成，如图1所示。
1.2 螺旋滤波器原理
螺旋滤波器是螺旋谐振器滤波器的简称，采用螺旋谐振器来实现耦合谐振器滤波器中的并联谐振回路。特点是：较窄的相对带宽，低插入损耗、体积小和制作容易等。
螺旋谐振器类似于四分之一波长的同轴线谐振器，依据式 [1] 可得λ/4 =1.667米，45MHz的同轴线谐振器尺寸太大。而采用螺旋谐振器体积上能够比同轴线谐振器小很多且能保持较高无载Q值。
其中 V 为光速（30万km/s）；f为谐振频率（45MHz）；λ为波长。
螺旋谐振器封闭在屏蔽空间内，为减少金属损耗屏蔽盒一般采用镀银工艺。谐振频率遵循公式2 [2] ：
螺旋谐振器分为圆腔和方腔形式，其理论计算有所区别。目前广泛采用的是方腔的形式。
1.2.1 原理设计与仿真
综合考虑设计要求后，采用了分离元件与螺旋谐振器混合设计方式，根据滤波器的衰减特性，确定四级谐振单元可以满足设计目标。
对于螺旋滤波器结构，由于腔内螺旋导线的存在，给出的边界条件复杂，用电磁场和电磁波的方法进行分析、设计比较困难。本文中采用原型电路设计法，将螺旋滤波器中的一个谐振腔看成一个LC的集中参数单元，4个串联腔体的滤波器等效成集中参数电路，利用ADS仿真软件 [3] 建立如图2所示的原理仿真图，并得到如图3所示的数据结果。
ADS原理仿真结果满足设计要求。原理仿真采用了4个螺旋谐振器实现滤波器设计，且可以得到 △f 3dB 为2.6MHz。
1.2.2 螺旋谐振器理论计算
依据最平和切比雪夫型滤波器的设计理论 [1] ：
其中K 0 为校正系数 [1] ；
q min 为谐振器归一化的最小品质因素 [1] 。
其中n为谐振器数量。
依据设计指标要求为插损≤1.5dB，依据指标冗余设计在理论计算时插损按≤1.2dB设计：
根据式（3）可得：U=8.76；
根据式（5）可得：Q min =45；
根据式（4）可得： Q0=395。
螺旋谐振器采用方腔形式，内部表面要求光滑，以下方法计算螺旋腔体结构尺寸。
依 据 方 形 螺 旋 腔 体 最 佳 无 载 Q 0 设 计 原 则 式（6）～（9） [1] ：
其中S为屏蔽盒的内壁边长（cm），d为螺旋管的平均直径（cm），H为屏蔽盒的内部高度（cm），b为螺旋管的长度（cm）， f0单位为MHz。
得出：螺旋谐振器尺寸为： S ＝2.45cm， d ＝1.62cm，b＝2.43cm，H＝3.9cm；
1.2.3 三维模型设计与仿真
依据理论计算的结构尺寸数据且利用HFSS仿真软件建立三维电磁场仿真模型 [4] 。如图4所示。
4个螺旋谐振器之间采用‘开窗’耦合的形式，且利用顶部螺杆控制耦合相邻谐振器间的耦合量。在线圈中部设有谐振频率调谐螺杆实现滤波器频率调节。仿真数据如图5所示。
2 滤波器实物
2.1实物外形
依据三维仿真模型的尺寸设计螺旋谐振器腔体，具体外形如图6所示。
2.2实物设计
实物结构材料采用铜，其具有良好的导电性和热膨胀系数。依据结构强度和调整螺杆螺纹需求留取一定壁厚。螺旋滤波器外部和内部均进行了镀银处理，表面保证平整光洁。每个螺杆均利用螺母和齿状垫圈实现‘锁死’定位。
为了减少射频损耗采取了几个措施：
1）腔体材料采用铜且内部表面采用镀银工艺；
2）螺杆均采用镀银螺杆，且设计时尽量处于螺旋线圈和耦合‘窗口’中部；
3）螺旋线圈射频损内部骨架采用聚四氟乙烯材料，利于加工且介电常数小；
4）螺旋线圈采用镀银铜线；
5）整体结构采用一体化成形，不能拼装。
2.3实物测试指标
上述设计在实物调试过程中存在一些偏差但不影响整体性能，得到如图7所示的实物测量曲线和如表3所示的测试数据值。
经过高低温试验测试；
损耗和选择性没有发生变化。
3 设计目标
1）中心频率：45MHz；
2）最大输入功率：20dBm；
3）驻波比：≤2.0；
4）1dB带宽：（44～46）MHz；
5）插损：≤1.5dB；
6）选择性：≥10dB（偏离f 0 +2MHz以外）；
7）工作温度：﹣40℃～85℃。
8）插损变化：±0.5dB（工作温度范围内）；
9）选择性变化：±1dB（工作温度范围内）；
4 结论
该螺旋滤波器具有选择性高、损耗小、稳定性强的优点。能够对短波接收机中频带外信号杂散有效抑制，其弥补了晶体滤波器带宽窄、声表滤波器损耗大和频率高的缺点。该螺旋滤波器是短波宽带超外差接收机的重要模块，为接收机广泛应用于复杂电磁环境提供支持，使其具有良好的使用前景。
参考文献
[1] 成都电讯工程学院 七系.LC滤波器和螺旋滤波器的设计[M].北京：人民邮电出版社，1978.
[2] Ludwig R.，Bogdanov，G.射频电路设计：理论与应用：第2版[M]，王子宇，王心悦，等译.北京：电子工业出版社，2013.[M].北京：电子工业出版社，2013.
[3] 徐兴福 .ADS2008 射频电路设计与仿真实例：2版[M].北京：电子工业出版社，2013.
[4] 冯奎胜，李娜，李劲 .Ansoft HFSS入门教程与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2013.
作者简介
江燕(1981—)，女，江西宜春人，同方电子科技有限公司工程师，研究方向为电子线路和无线电通信。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第44页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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