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1 引 言

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。

2 濾波器的相移和群延遲分析

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。

3 兩種濾波函數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)比及折衷

3.1 晶體濾波器的技術(shù)指標(biāo)

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)。

3.2 濾波器電路原理和主要元件計(jì)算

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。

3.3 兩種濾波函數(shù)的設(shè)計(jì)及仿真比較

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

3.4 濾波器折衷設(shè)計(jì)

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

4 實(shí)際產(chǎn)品的測試結(jié)果及分析

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。

5 結(jié)束語

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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方秀峰.線形相位濾波器[J].壓電晶體及其應(yīng)用，1993(3)：121-128.

FANG Xiu-feng.Linear phase filter[J].voltage compensation crystal and its application,1993(3):121-128.(in Chinese)

[2] 周立人.線性相移晶體濾波器的計(jì)算機(jī)輔助分析[J].壓電晶體技術(shù)，1987，9(3)：28.

ZHOU Li-ren.Linear phase-shift Crystal filter computer aid analysis[J].voltage compensation technology,1987,9(3):28.(in Chinese)

[3] 李忠誠.現(xiàn)代晶體濾波器設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981：40-47.

LI Zhong-cheng.Modern crystal filter design[M].Beijing:National Defence Industry Publishing House,1981:40-47.(in Chinese)