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隨著無線電技術(shù)的迅速發(fā)展和無線電設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,整機(jī)對(duì)晶體濾波器(以下簡稱濾波器)時(shí)域特性的要求也越來越高。特別是在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,起中頻濾波作用的窄帶晶體濾波器時(shí)域特性的好壞,已經(jīng)成為整個(gè)系統(tǒng)中影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑蛑弧R驗(yàn)樾盘?hào)通過晶體濾波器后,會(huì)引起相位突變,那么信號(hào)高速傳輸時(shí),在解調(diào)過程中,會(huì)造成誤碼率高,影響整機(jī)的數(shù)據(jù)靈敏度和殘余誤碼率。則整機(jī)在系統(tǒng)聯(lián)試時(shí),由于濾波器存在的群時(shí)延波動(dòng)特性,當(dāng)這一波動(dòng)過大時(shí),就會(huì)造成系統(tǒng)終端數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)誤碼和亂碼現(xiàn)象,嚴(yán)重影響整機(jī)系統(tǒng)的性能,最終造成系統(tǒng)性能變差。因此,為了盡可能使有用信號(hào)通過濾波器而不失真,就要求濾波器不僅有很好的幅頻特性,而且還要有線性的相頻特性,即信號(hào)通過濾波器后其延遲時(shí)間最好為一常數(shù)。
本文采用最經(jīng)典的差接橋型晶體濾波器電路,為了保持在帶寬的一部分中有恒定群延遲,而且還要保持較高的選擇性,濾波函數(shù)選擇頻域特性中衰減最好的切比雪夫函數(shù)和時(shí)域中群時(shí)延特性最好的貝塞爾函數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析介紹,研究出一種特殊傳遞函數(shù),稱為半線形濾波器[1],在帶外具有切比雪夫函數(shù)的衰減特性,帶內(nèi)則具有貝塞爾函數(shù)的平坦群時(shí)延特性。
我們知道,濾波器的帶寬直接影響相移特性斜率的大小,一般說來,通帶越寬,濾波器的線性相移頻率特性就越容易實(shí)現(xiàn),且斜率亦越小,而晶體濾波器多屬窄帶范疇,因此,實(shí)現(xiàn)其線性相移頻率特性的難度就較大。此外,阻帶衰減的快慢也影響著相移頻率特性,即濾波器的傳輸節(jié)點(diǎn)的多少和分布位置決定其通帶的光滑程度。節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多,相移的絕對(duì)值越大,濾波器的延遲時(shí)間增加,致使整個(gè)電路反應(yīng)遲鈍。例如,在差接橋型濾波器中,每增加一塊晶體,將會(huì)帶來約100°左右的相移[2]。但是增加傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)目對(duì)衰耗特性有好處,使濾波器衰減變得更陡峭。
從以上分析可知,濾波器的幅頻特性和相頻特性是一對(duì)不可完全調(diào)和的矛盾,只能從設(shè)計(jì)上來平衡。本文介紹的這種窄帶小群時(shí)延波動(dòng)晶體濾波器設(shè)計(jì),就是在確保窄帶濾波器在頻域特性方面較好的選擇性優(yōu)勢情況下,融入了線性相移設(shè)計(jì)技術(shù),大大提高了窄帶晶體濾波器的相位的線性度,使晶體濾波器不但具有帶寬窄、阻帶衰減高等頻域特性,而且在全通帶范圍內(nèi)還具有群時(shí)延波動(dòng)小和相位一致性好等時(shí)域特點(diǎn),突破了傳統(tǒng)意義上單純的頻域晶體濾波器或時(shí)域晶體濾波器的界線,充分體現(xiàn)了濾波器頻域特性和時(shí)域特性這一對(duì)矛盾的對(duì)立統(tǒng)一。下面以應(yīng)用于工程中的晶體濾波器設(shè)計(jì)為例介紹這種濾波器的設(shè)計(jì)過程。
晶體濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
3 dB帶寬>±35 kHz,40 dB帶寬<133 kHz,插入損耗<3 dB,50 kHz群時(shí)延波動(dòng)<1 μs,70 kHz群時(shí)延波動(dòng)<2 μs,最終衰減>80 dB,工作溫度-40℃~+70℃。
從以上技術(shù)要求可知,該晶體濾波器的特點(diǎn)是:帶寬窄(相對(duì)帶寬為0.056%),群時(shí)延波動(dòng)小,阻帶衰減高,矩形系數(shù)較小(BW40/BW3<3.7)。
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,采用四晶體兩節(jié)差接橋型電路即可實(shí)現(xiàn)以上的幅頻特性指標(biāo)。濾波器電路原理圖如圖1所示。
圖1 濾波器電路原理圖
圖1中主要元件的計(jì)算公式如下[3]:
(1)
(2)
(3)
(4)
式中,f0為濾波器的中心頻率,B3為濾波器的3 dB帶寬,K12、K23、K34為歸一化低通耦合系數(shù),f1~f4為晶體的串聯(lián)諧振頻率。
電路中變量器LT的設(shè)計(jì)公式由式(5)來計(jì)算,一般在允許情況下,LT的值盡量大一些。
(5)
RT選RTS、RTL中較大的一個(gè),Qt為變量器品質(zhì)因數(shù),RTS、RTL分別為濾波器輸入和輸出端的特性阻抗,按以下公式計(jì)算:
(6)
(7)
(8)
式中,q1、qn為歸一化質(zhì)量因數(shù),LS為石英晶體的等效動(dòng)態(tài)電感。
濾波器進(jìn)行阻抗變換后的匹配線圈L1、L2按公式(9)和(10)進(jìn)行:
(9)
(10)
式中,n11、n12為變量器的匹配圈數(shù),n2為變量器的雙繞圈數(shù),若RTS=RTL,則n11=n12。
而電路中的電容值在實(shí)際工程中采用微調(diào)電容,以便于獲得更好的濾波特性,故在此不列出計(jì)算公式。
我們對(duì)切比雪夫和貝塞爾函數(shù)各選擇了一組q、K值,見表1。
表1 兩種濾波函數(shù)的歸一化低通耦合系數(shù)與歸一化質(zhì)量因數(shù)
(a)幅頻特性
(b)50 kHz 帶寬群時(shí)延特性
在設(shè)計(jì)中,濾波晶體采用的圓片,其動(dòng)態(tài)電感均值為1.7 mH,根據(jù)公式(1)~(10),我們計(jì)算出這兩種濾波器的各元件值,并通過仿真來比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn),如圖2和圖3所示。
從圖2和圖3兩個(gè)仿真設(shè)計(jì)中我們可以得出這兩種函數(shù)濾波器在相同電路形式情況下所達(dá)到技術(shù)指標(biāo)與要求值之間的差距,如表2所示。
(a)貝塞爾幅頻特性
(b)70 kHz 帶寬群時(shí)延特性
濾波器技術(shù)指標(biāo)3 dB帶寬/kHz40 dB帶寬/kHz通帶插損/dB50 kHz群時(shí)延/μs70 kHz群時(shí)延/μs阻帶衰減/dB要求值>±35<±133<3<1<2>80契比雪夫+35.5/-36+92/-1001.254->80貝塞爾+35.5/-36+159/-1670.870.20.38>80
從表2可知,契比雪夫?yàn)V波器在幅頻特性方面優(yōu)于要求值,而貝塞爾濾波器在相頻特性方面優(yōu)于要求值,若能在兩者之間取長補(bǔ)短,尋求一個(gè)平衡折衷的方法,那么就可完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。通過分析,我們了解到這兩種濾波器在電路上不同之處在于晶體頻率值的不同,那么調(diào)整晶體頻率值是否可以滿足技術(shù)指標(biāo)要求呢?我們重新通過仿真來驗(yàn)證這種推測。仿真結(jié)果如圖4所示。
(a)幅頻特性
表3給出了改進(jìn)后的濾波器電路仿真測試值與改進(jìn)前的兩種濾波器和要求值之間的比較。由表可知,改進(jìn)后的濾波器的40 dB帶寬在契比雪夫和貝塞爾濾波器之間,但較靠近契比雪夫的幅頻特性,而50 kHz帶寬范圍的群時(shí)延波動(dòng)與貝塞爾一樣,只是70 kHz帶寬范圍的群時(shí)延波動(dòng)增大了1 μs,但是仍然比要求值小,而且還有較大的富裕量。由此知改進(jìn)后濾波器的通帶保持了時(shí)域函數(shù)貝塞爾的平滑群時(shí)延波動(dòng)特性,而過渡帶和阻帶則保持了頻域函數(shù)契比雪夫的小矩形系數(shù)高衰減的幅頻特性,說明這種融合了契比雪夫和貝塞爾函數(shù)特點(diǎn)的小群時(shí)延波動(dòng)濾波器的設(shè)計(jì)是可行的。
表3 改進(jìn)后仿真值與要求值比較表
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)和分析,我們通過實(shí)際電路進(jìn)一步驗(yàn)證其在現(xiàn)實(shí)中的可行性。表4為實(shí)測濾波器的技術(shù)指標(biāo)與仿真和要求值的比較表,圖5為實(shí)際產(chǎn)品的測試曲線圖。由表4可知,這種方案的通帶特性非常逼近仿真曲線結(jié)果,阻帶特性的寄生目前還不能通過計(jì)算機(jī)仿真出結(jié)果,但是阻帶寬度和衰減特性則靠近仿真結(jié)果,群時(shí)延特性也逼近仿真值,50 kHz群時(shí)延波動(dòng)差0.1 μs左右,70 kHz群時(shí)延波動(dòng)差0.1 μs左右,這些差值都是在誤差范圍內(nèi),故結(jié)果是滿足所有指標(biāo)要求的。
表4 濾波器實(shí)測值與仿真值和要求值比較表
(a)實(shí)測產(chǎn)品的幅頻特性
(b)實(shí)測產(chǎn)品的群時(shí)延特性
該項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)在2009年新品設(shè)計(jì)定型會(huì)議上被專家評(píng)定為“達(dá)到國際先進(jìn)水平”。應(yīng)用該技術(shù)研發(fā)的實(shí)用化產(chǎn)品已經(jīng)提供給多家用戶使用,是目前國內(nèi)唯一一家被認(rèn)可的生產(chǎn)單位,現(xiàn)已進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。與國外相同產(chǎn)品比較,該產(chǎn)品的插入損耗要小2 dB左右,阻帶衰減要高5 dB以上,唯一不足之處是在寬溫度范圍內(nèi),70 kHz帶寬范圍內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)的穩(wěn)定性比國外產(chǎn)品要差0.3 μs左右,這是產(chǎn)品中所采用的磁環(huán)穩(wěn)定性不一樣造成的。
當(dāng)前,整機(jī)的小型化、數(shù)字化、抗干擾性能等要求在不斷提高,對(duì)于晶體濾波器的要求也同等在增加,單純的頻域特性濾波器和時(shí)域特性濾波器已不能滿足整機(jī)發(fā)展的需求,因此這種介于兩者之間的濾波器設(shè)計(jì)方法今后將會(huì)越來越多地應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中去。仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為這種設(shè)計(jì)方法和縮短研制周期提供了可能。
在本文中,我們提出了獲得較好群時(shí)延波動(dòng)的改進(jìn)型設(shè)計(jì)思路的可行性,并通過實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)了這種濾波器,該濾波器在實(shí)際應(yīng)用中獲得了用戶認(rèn)可。除了這種設(shè)計(jì)方法外,也可采用六晶體電路的貝塞爾濾波函數(shù)來實(shí)現(xiàn),但是這樣除了增加成本外,由于高基頻晶體老化較大,多采用兩個(gè)晶體也就增加了濾波器失效的幾率,會(huì)降低濾波器的質(zhì)量可靠性。
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