电子侧t与仪琴学报20加增刊微波螺旋滤波器的小型化设计与调试张立毅王华奎(太原理工大学信息工程学院太原030024)沙定国(北京理工大学光电工程系北京100086)I摘要】本文分析了螺旋滤波粉的组成原理阅述了其体积与无毅0值和数学撰型之间的关系，井进行了小型化设计举例。9`c}i}:IAS3}}E}S!&1}}fkv}iit}iAlii1.前言螺旋滤波器是由螺旋谐振腔组成，于60年代初问世。具有体积小、插损低、无载Q值高、制作容易等特点，在甚高频频段和特高频频段先后实现了螺旋低通、级旋带通和螺旋带阻滤波器。目前，已广泛应用于微波通信、广播电视等领域。随着设各的便执式和小型化，要求滤波器的体积要大大缩小。因此。研究其小型化设计具有较大的实用价值.2.螺旋谐振器的组成原理螺旋谐振器类似于四分之一波长的同轴线谐振器其内导体作成螺旋管形，封装于金属壳内，如图1所示.在一股同轴传输线中，电磁波的相速v.等于光速C.在具有螺旋内导体的同轴传输线中，相速则由于慢波结构而降低，它与缘旋管的长度b成正比，与螺旋线的长度1成反比.近似关系为:V.二Cb/1(1)当频率fo已知时。传输线的波长a。为:)iV./f.(2)图t螺旋滩波器结构可见.波长与相速成正比相速的降低相当于波长的缩短故螺旋谐振器的体积大大缩小。3.螺旋滤波器小型化的影响因素在螺旋滤波器设计中，体积主要取决于预率和插入损耗。由于频串是给定的，故插入损耗对体积的作用十分重要。插入损耗大，体积就小，但对有用信号的衰减也大，不适用于小信号处理.因此，设计时要统筹考虑.首先要减小插损.其次.在满足插损要求的垂础上.喊小体积。3.1影响插入损耗的因素影响插入损耗的因素较多.如导线捐耗、屏蔽腔损耗、介质损耗以及螺旋管邻近效应所引起的损耗V'.设计时。应分别采取措施予以减小。导线:由于其一般采用被银铜线或萦钥线，表面光滑.金属损耗较小。同时，考虑到姗旋管的开路端具有高压存在.为防止高压放电.一般将导线末端剪褥光滑，而无毛刺。屏蔽腔:为减低飒耗。屏蔽腔应最好通过铸造加工成无缝腔体·考虑到加工困难一般采张!!.簇北京理工大学在诊娜士生王华璧橄授沙定国橄提，娜士生.师401电子洲皿与仪县学报2以旧增刊用光滑铜板捍接而成，但要求焊接前清除铜板衰面的钥锈，增加光洁度。减小橇损。同时，焊接缝隙要平行于姗旋曹轴向。且在机械和电气性能上良好连接.介质:当预率较高时，螺旋导线的线径较粗.稳定性较好，一般不需要骨架.但频率较低时，由于线径减小。为提高稼定性，必须使用骨架。骨架一般采用陶瓷、获四报乙烯等低损耗材料来制成.这样，介质损耗可忽略不计。螺旋管邻近效应:由于邻近效应与螺旋谐振腔的结构参数有关.如螺旋管的直径d、长度b.单位长度螺旋管的匝数no,绕制螺旋管的导线直径d'。以及腔体直径D等。因此，减小邻近效应所引起的损耗.关键是选择合适的结构参数，螺旋谐振器的无载品质因素Q值可由下式近似给出:Q,-273{d/D(I-d/D])Dfo""/{d'/nod"o[1+Rs/Rc])(3)式中:巾为邻近效应系数Rs为单位长度螺旋内导体电阻〔欧姆/厘米)Rc为单位长度屏蔽盒电阻(欧姆/厘米)Rs=0.38X1州((b/n.4,.)noadf."(')Rc=1.22X10''心bd+fOV:/[D'-(b+d)]40s(5)fo为级旋谐振器的谐振频率(afz)根据实验和分析表明。当下式满足时，邻近效应最小。b/d=1.5nod'o0.5d'=3.75nod"o(6)将(d)一“)式代入(3)式，以d/D为横坐标，QO/Dr.,I"为纵坐标便可得到图2.由图2可得，当d/D=O.55时，仇取得最大值，即插入损耗最小。代入(!)式可求得无载品质因素Qo的最大值为:仇-20Dfo“(7)I.el毋~1困we1二l!且门牙﹁目1目J门.月柑I一Jesjl，J二宾斗i出.几:，叫图2螺旋谐报母的Q.与d/D的关系曲线图3绍旋诊抓侣的Q.,D,f之间的关系为便于设计.根据(7)式给出的Qu"。、fo之间的关系绘出曲线见3.由图可褥.在给跳9振频率fo时，降低Qo值可减小滤波器的体积，但插入损耗增加。故在设计时，曹先耍对拐旋导线、骨架和屏蔽盒等材料进行选挥，减小其损耗。其次。再根据品质因素确定涟波器体积.3.2螺旋公波器的体积与其教学棋型的关系滤波器的数学棋型主耍采用巴特沃斯型(ButerWorth)和契比雪夫型仃chebyscheff)两种。按照这两种数学模型设计的姗旋涟波器的擂入报耗可近似衰示为:A=20K6BQo/(Qo-Q.:)(8)