螺旋濾波器

螺旋濾波器是因為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而得名的。因此，其特點與螺旋諧振器的特點是分不開的。

基本介紹

• 中文名：螺旋濾波器
• 外文名：Screw filter
• 特點：體積小，無載Q值高，加工容易
• 性能：能實現較窄的相對頻寬
• 原理：耦合諧振器濾波器中的並聯諧振

特點

能實現較窄的相對頻寬 （0.1－20%），低插損（<1dB），小型化，製作容易，易於實現較複雜的濾波器電路從而獲得高的選擇性。這些特點在100－800M範圍內尤為突出。

基本原理

螺旋諧振器類似一個 1/4波長的同軸線諧振器。不同的就是螺旋諧振器的內導體呈螺旋管形，而同軸的是直的。

在同軸線傳輸中,電磁波相速VΦ等於光速c，即VΦ=c,而在螺旋形諧振器中行波必須依次沿螺旋管的各圈前進,它僅在螺旋導體方向以光速前進，因而沿螺旋管軸線方向上傳播的速度就大大降低了。因此，與螺旋管本身長度b相比，繞制螺旋管的導線lH越長，則匝數N越大，沿螺旋管的軸線方向上傳播的速度降低也越多。

行波沿螺旋管軸方向傳播的相速可以由下式給出：

VΦ=c×b/lH=c×b/(d×N)

式中：

c――光速

b――螺旋管長度

lH－－繞制螺旋管的導線的長度

d――螺旋線直徑

N――螺旋線圈數

例如lH=500cm，b=10cm，則VΦ=c/50，即相速減小了50倍。當頻率f已知時，其傳輸線中的波長由下式給出λc= VΦ/f 。

由此可知，傳輸線中的波長正比於相速，因此相速的降低等效于波長的縮短，所以採用具有螺旋內導體的1/4波長短路同軸線作諧振器製作的濾波器，其體積可大大減小。

螺旋諧振器基本上還屬於同軸諧振腔。由於電場，磁場全部被金屬表面限制在腔內，故沒有輻射損耗。若選用介質損耗很小的材料（如聚四氟乙烯）作骨架，或不用骨架，則介質損耗也很小。同時，由於高頻電流的趨膚效應，諧振器中流過高頻電流的金屬表面是擴展開了的，加之腔壁鍍銀，導線選擇合適，則金屬損耗也很小。因此，螺旋諧振器的品質因數很高，約在1000左右。

設計公式

螺旋諧振器的設計原則是：在滿足電參量要求的同時，儘可能獲得最大地無載Q值。

螺旋諧振器的外導體，又稱為禁止盒，截面為圓形的稱為圓腔形，為方形的稱為方腔形。

兩種腔形的設計公式見表1：

式中，結構參量定義如下：

D――禁止盒內壁直徑 （mm)

S――方腔邊長 （mm)

d――螺旋管平均直徑 （mm)

H――禁止盒內部高度 （mm)

b――螺旋管長度 （mm)

Φ0――繞制螺旋管地導線直徑 （mm)

τ――螺距 （mm)

N――螺旋管總匝數 (匝)

n0――單位長度上地匝數 (匝/mm)

Zc――特性阻抗

表1：螺旋諧振腔設計公式匯總

圓腔形	方腔形
d/D=0.55	d/S=0.66
b=1.5d	b/d=1.5
Q0=1.98D	Q0=2.36S
Zc=2510000/f0D (Ω)	Zc=2090000/f0S(Ω)
N=48200/f0D(匝)	N=40000/f0S(匝)
H=b+D/2	H=b+0.66S
n0=1/τ=600/( ) (匝/mm)	n0=1/τ=416/( ) (匝/mm)
Φ0=1/(2n0)= ( )/120000	Φ0=1/(2n0)= ( )/83200

圓腔和方腔的電性能是相同的，兩者之間存在下述關係：D=1.2S

工作範圍

⑴物理結構：

① 禁止盒最好為無縫柱體，若螺旋管終端接在禁止盒的蓋子上，

則蓋子亦必須與禁止盒牢固的聯結，以減少損耗。

② 因為螺旋管的開路端有高壓存在，因此要求導線末端應光滑

無毛刺。禁止盒與螺旋管都應鍍銀，以減少金屬損耗。

③ 由於螺旋濾波器的溫度穩定性幾乎完全取決於螺旋諧振器。當

要求高溫度穩定性時（如相對頻寬W<1%時），必須採取適當的措施，如採用低溫度係數的陶瓷骨架，熱繞螺旋管的工藝等，以提高螺旋管的溫度穩定性。

④ 螺旋諧振器的頻率調整，一般是通過安置在螺旋管開路端蓋子

上的可沿螺旋管軸向上下移動的螺釘來實現。因此螺釘與螺孔要緊配合，最好設有鎖緊裝置，一旦頻率已調準，就將螺釘鎖緊，以免由於機械振動而產生頻率偏移，這對於相對頻寬W<1%的螺旋諧振器尤為重要。

⑵工作範圍

① 按標準化設計的螺旋諧振器有一定的工作範圍，其上限為：

下限為 式中fo的單位是MHz，D的單位是cm，在這個範圍內，螺旋諧振器與同軸線諧振器或集總參數的LC迴路相比，具有以上所介紹的優點。但這一界限並不明顯，它有一個很寬的過渡區域。

上限是由兩個因素得出的。第一是對於給定的工作頻率fo和諧振器體積，當式中的 ≥32000時，則螺旋諧振器的無載品質因數與同軸線諧振器的近於相等了。第二是，螺旋管的螺距必須滿足τ<d/2,否則螺旋管與直的內導體就難以區分了。

下限則是考慮到Φ0>5δ(δ為趨膚深度)，頻率低時，在一定的體積條件下，Φ0>5δ這個條件不易滿足，此時作出的諧振器，其無載Q值比預計的要低。

螺旋諧振器的設計步驟及注意事項

螺旋諧振器的設計，主要是把它作為一個高Q值迴路部件來處理的。而這一章則是把螺旋諧振器作為螺旋濾波器的一個組成部分來說明其設計問題，即如何根據給定的濾波器指標來確定諧振器。

螺旋諧振器的設計主要是無載Q值的確定，它需根據給定的插入損耗要求來確定，而也只有在確定了Q值後，才能確定禁止盒的大小及其他的結構參量。

對於相同的諧振器數目n，切比雪夫回響的 比最平的要高，這意味著相同的n和Q0的兩種濾波器，切比雪夫的損耗要大的多，因此大多數場合是按最平型進行設計，但切比雪夫的矩形係數較好。

在實際設計中，通常會遇到兩種情況：一是已知諧振器的體積要求，求能否滿足插入損耗的要求；另一種則是給定插入損耗的要求，求諧振器的體積。

螺旋濾波器的耦合

⑴腔間耦合：

通常，螺旋諧振器間的耦合是通過在禁止隔板（諧振器間的公共壁）上開視窗的辦法來實現。視窗開的位置不同，耦合的方式也不同。分為容性和感性兩種。

① 容性耦合

當視窗開在螺旋管的開路端時，由於開路端的電場較強，耦合基本上為容性的。由此，低頻端的衰減增長率稍比高頻端大。

② 感性耦合

當視窗開在靠近螺旋管的接地端時，由於接地端的磁場較強，耦合基本上是感性的。感性耦合的衰減與容性剛好相反，即高頻端的衰減增長率稍比低。為了說明耦合視窗的設計，我們在這裡規定h為相鄰兩螺旋管未被禁止部分的高度。關於耦合係數k與h之間的關係尚沒有精確的數學分析和計算，大部分場合下都是由實驗的辦法求得的，同時一般在視窗位置設定微調螺釘。