螺旋滤波器的设计与应用.doc

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1、螺旋滤波器的设计与应用螺旋滤波器是因为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而得名的。因此，其特点与螺旋谐振器的特点是分不开的。螺旋谐振器的主要特点是：体积小，无载Q值高，加工容易。因此螺旋滤波器的特点就是：能实现较窄的相对带宽（0.1－20％），低插损（＜1dB），小型化，制作容易，易于实现较复杂的滤波器电路从而获得高的选择性。这些特点在100－800M范围内尤为突出。一、螺旋谐振器1．螺旋谐振器的结构和基本原理螺旋谐振器类似一个1/4波长的同轴线谐振器。不同的就是螺旋谐振器的内导体呈螺旋管形，其结构如

2、图1，而同轴的是直的。在同轴线传输中,电磁波相速VΦ等于光速c，即VΦ=c,而在螺旋形谐振器中行波必须依次沿螺旋管的各圈前进,它仅在螺旋导体方向以光速前进,因而沿螺旋管轴线方向上传播的速度就大大降低了。因此，与螺旋管本身长度b相比，绕制螺旋管的导线lH越长，则匝数N越大，沿螺旋管的轴线方向上传播的速度降低也越多。行波沿螺旋管轴方向传播的相速可以由下式给出：VΦ＝c×b/lH=c×b/(d×N)式中c――光速b――螺旋管长度lH－－绕制螺旋管的导线的长度d――螺旋线直径N――螺旋线圈数例如lH＝500cm，b＝10cm，

3、则VΦ＝c/50,即相速减小了50倍。当频率f已知时，其传输线中的波长由下式给出λc=VΦ/f。由此可知，传输线中的波长正比于相速，因此相速的降低等效于波长的缩短，所以采用具有螺旋内导体的1/4波长短路同轴线作谐振器制作的滤波器，其体积可大大减小。螺旋谐振器基本上还属于同轴谐振腔。由于电场，磁场全部被金属表面限制在腔内，故没有辐射损耗。若选用介质损耗很小的材料（如聚四氟乙烯）作骨架，或不用骨架，则介质损耗也很小。同时，由于高频电流的趋肤效应，谐振器中流过高频电流的金属表面是扩展开了的，加之腔壁镀银，导线选择合适，则金属

4、损耗也很小。因此，螺旋谐振器的品质因数很高，约在1000左右。1．螺旋谐振器的设计公式及步骤：螺旋谐振器的设计原则是：在满足电参量要求的同时，尽可能获得最大地无载Q值。螺旋谐振器的外导体，又称为屏蔽盒，截面为圆形的称为圆腔形，为方形的称为方腔形，见图1。两种腔形的设计公式见表1：式中，结构参量定义如下：D――屏蔽盒内壁直径（mm)S――方腔边长（mm)d――螺旋管平均直径（mm)H――屏蔽盒内部高度（mm)b――螺旋管长度（mm)Φ0――绕制螺旋管地导线直径（mm)τ――螺距（mm)N――螺旋管总匝数(匝)n0――单位

5、长度上地匝数(匝/mm)Zc――特性阻抗表1：螺旋谐振腔设计公式汇总圆腔形方腔形d/D=0.55d/S=0.66b=1.5db/d=1.5Q0=1.98DQ0=2.36SZc=2510000/f0D(Ω)Zc=2090000/f0S(Ω)N=48200/f0D(匝)N=40000/f0S(匝)H=b+D/2H=b+0.66Sn0=1/τ=600/()(匝/mm)n0=1/τ=416/()(匝/mm)Φ0=1/(2n0)=()/120000Φ0=1/(2n0)=()/83200圆腔和方腔的电性能是相同的，两者之间存在下述

6、关系：D=1.2S1．螺旋谐振器的物理结构及工作范围⑴物理结构：①屏蔽盒最好为无缝柱体，若螺旋管终端接在屏蔽盒的盖子上，则盖子亦必须与屏蔽盒牢固的联结，以减少损耗。②因为螺旋管的开路端有高压存在，因此要求导线末端应光滑无毛刺。屏蔽盒与螺旋管都应镀银，以减少金属损耗。③由于螺旋滤波器的温度稳定性几乎完全取决于螺旋谐振器。当要求高温度稳定性时（如相对带宽W<1%时），必须采取适当的措施，如采用低温度系数的陶瓷骨架，热绕螺旋管的工艺等，以提高螺旋管的温度稳定性。④螺旋谐振器的频率调整，一般是通过安置在螺旋管开路端盖子上的可沿

7、螺旋管轴向上下移动的螺钉来实现。因此螺钉与螺孔要紧配合，最好设有锁紧装置，一旦频率已调准，就将螺钉锁紧，以免由于机械振动而产生频率偏移，这对于相对带宽W<1%的螺旋谐振器尤为重要。⑵工作范围①按标准化设计的螺旋谐振器有一定的工作范围，其上限为：下限为式中fo的单位是MHz，D的单位是cm，在这个范围内，螺旋谐振器与同轴线谐振器或集总参数的LC回路相比，具有以上所介绍的优点。但这一界限并不明显，它有一个很宽的过渡区域。上限是由两个因素得出的。第一是对于给定的工作频率fo和谐振器体积，当式中的≥32000时，则螺旋谐振器的

8、无载品质因数与同轴线谐振器的近于相等了。第二是，螺旋管的螺距必须满足τ5δ(δ为趋肤深度)，频率低时，在一定的体积条件下，Φ0>5δ这个条件不易满足，此时作出的谐振器，其无载Q值比预计的要低。一、螺旋滤波器1.螺旋谐振器的设计步骤及注意事项前面所介绍的螺旋谐振器的设