【摘 要】本文介紹了一種短波自動(dòng)匹配濾波器的應(yīng)用范圍、原理及構(gòu)成，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)方法，特別是對(duì)元器件參數(shù)的測(cè)量校準(zhǔn)的方法進(jìn)行了詳細(xì)描述。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)匹配濾波器，調(diào)諧電感，負(fù)載電感，調(diào)諧電容，負(fù)載電容

一、前言

電子設(shè)備中經(jīng)常用到濾波器，人們利用它的通帶特性選擇有用信號(hào)，利用它的阻帶特性濾除雜散、干擾等無用信號(hào)。濾波器根據(jù)其通帶形式可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。目前的短波電臺(tái)或短波發(fā)射機(jī)在功率放大器的后面都會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，用以濾除功率放大器產(chǎn)生的諧波分量，使得發(fā)射出去的信號(hào)更純凈，更利于接收。

本文介紹的濾波器就是用于功率放大器后面，濾除諧波分量的低通濾波器。它的獨(dú)特之處是通過換頻調(diào)諧方式選擇濾波頻段，同時(shí)肩負(fù)著功率放大器與負(fù)載之間的阻抗匹配的重任。而通常設(shè)計(jì)的同樣用途的低通濾波器，是由幾個(gè)固定頻段的低通濾波器組成，根據(jù)頻率信息通過繼電器選擇相應(yīng)的頻段。此種濾波器按照50Ω特性阻抗設(shè)計(jì)，不具備與負(fù)載阻抗自動(dòng)匹配的能力。

二、應(yīng)用前景

通常的短波電臺(tái)或短波發(fā)射機(jī)都是單信道的，發(fā)信天線大多采用鞭狀天線或?qū)拵炀€。由于鞭狀天線在短波頻段的阻抗變化較大，采用鞭狀天線的發(fā)射機(jī)都配有天線調(diào)諧器來匹配發(fā)射機(jī)與天線之間的阻抗，以保證發(fā)射機(jī)輸出功率最大。若將發(fā)射機(jī)直接連接寬帶天線，會(huì)因?yàn)榘l(fā)射機(jī)與天線之間存在較大的駐波，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)不能達(dá)到額定的功率輸出。假如寬帶天線指標(biāo)要求是：90%的頻率，電壓駐波比≤3.0；10%的頻率，電壓駐波比≤3.5。取電壓駐波比為3.0，意味著有25%的功率反射回發(fā)射機(jī)，最終到達(dá)天線的功率只有75%，使天線的輻射功率也相對(duì)降低。

若短波發(fā)射機(jī)采用本文介紹的自動(dòng)匹配濾波器，配接寬帶天線時(shí)，此濾波器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)與寬帶天線之間的阻抗匹配，保證發(fā)射機(jī)額定功率輸出；配接鞭天線時(shí)，此濾波器可以與天線調(diào)諧器一起通過雙重調(diào)諧實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)與鞭天線的阻抗匹配，提高了匹配能力.另外，為保證阻抗匹配的準(zhǔn)確性，配套的輸入耦合器實(shí)時(shí)檢測(cè)功率放大器的負(fù)載情況，一旦發(fā)信駐波異常即刻采取保護(hù)措施。因此，這種設(shè)計(jì)思路能很好地保護(hù)功率放大管免受傷害，提高了設(shè)備的可靠性。

這種自動(dòng)匹配濾波器的應(yīng)用在短波單信道系統(tǒng)中是一種新思路。它與天線調(diào)諧器實(shí)現(xiàn)雙重調(diào)諧功能，使發(fā)射機(jī)的負(fù)載匹配能力大大提高。發(fā)射機(jī)既可以通過天線調(diào)諧器匹配鞭天線，又可以直接匹配寬帶天線且保證滿功率輸出。提高了發(fā)射機(jī)到天線的功率傳輸能力。在當(dāng)前短波仍作為主要通信手段的領(lǐng)域里具有很廣闊的應(yīng)用前景。

三、匹配單元組成及原理

自動(dòng)匹配濾波器是匹配單元的重要組成部分，匹配單元通常用于短波發(fā)射機(jī)的功率放大器與負(fù)載之間，其原理框圖如圖1所示。除濾波器之外，匹配單元還包括輸入耦合器、輸出耦合器和控制板。

下面簡(jiǎn)單介紹匹配單元的工作原理。輸入耦合器包含功率檢測(cè)、相位檢查、阻抗檢測(cè)三部分電路。功率檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)射頻輸入功率的大小，并將功率信息傳給控制板。在發(fā)射機(jī)換頻調(diào)諧時(shí)，插入相位檢查和阻抗檢測(cè)電路，相位檢測(cè)電路檢測(cè)射頻輸入端的相位，從而確定功率放大器后續(xù)射頻通路的失諧狀態(tài)，為調(diào)諧系統(tǒng)提供相位偏差信息。阻抗檢測(cè)電路檢測(cè)射頻輸入端的阻抗，與特性阻抗比較是大于50Ω，還是小于50Ω。所有檢測(cè)的信息都要送到控制板處理，最終由控制板去控制匹配濾波器中的繼電器，接入或斷開某個(gè)電感、電容，以達(dá)到自動(dòng)匹配和濾波的功能。

圖1 匹配單元原理框圖

輸出耦合器只包含功率檢測(cè)電路，主要檢測(cè)射頻輸出的大小，將檢測(cè)信息傳給控制板?？刂瓢逡罁?jù)這些信息調(diào)整整個(gè)發(fā)射機(jī)的輸出功率值。

四、自動(dòng)匹配濾波器的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)匹配濾波器是由電容、電感、繼電器等器件構(gòu)成的π型低通濾波器。包括四個(gè)部分：調(diào)諧電感、調(diào)諧電容、負(fù)載電感、負(fù)載電容。其原理框圖如圖3所示，串臂電感與并臂電容的量值符合二進(jìn)制加權(quán)序列。如L1至L4直至L15，電感量分別為88nH、175nH、350nH、700nH……10.1uH，符合n×20、n×21、n×22……n×2m的規(guī)律。

同樣，電容的量值也符合二進(jìn)制加權(quán)序列。每個(gè)電感、電容器件都能通過真空繼電器獨(dú)立地接入匹配濾波器電路。一旦收到控制板發(fā)來的調(diào)諧控制信息，真空繼電器立即動(dòng)作，相應(yīng)的電感器或電容器加入匹配濾波器電路，而其余的電感器、電容器被旁路或開路。使匹配濾波器調(diào)諧在新的頻率波段，保證其輸入端阻抗與負(fù)載阻抗匹配。實(shí)現(xiàn)濾波功能和阻抗匹配功能。

匹配濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，首先是元器件參數(shù)的控制，如電感電容的量值、精度、耐壓值等，真空繼電器的開合時(shí)間，觸點(diǎn)電流等參數(shù)的控制。其次是濾波器中元器件的布局要合理，盡量減少相互耦合、相互干擾，降低分布參數(shù)對(duì)電性能的影響。

匹配單元的設(shè)計(jì)實(shí)例見圖2，從中可見匹配濾波器的布局情況。

五、測(cè)量和校準(zhǔn)

在匹配濾波器整機(jī)合攏后，還要對(duì)各個(gè)單板進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試和校準(zhǔn)，這種狀態(tài)的測(cè)試包括了分布參數(shù)的影響，對(duì)保證整機(jī)指標(biāo)有實(shí)際意義。測(cè)試需要的儀表、工具等見表1。

（一）電感值/電容值測(cè)量

1.如圖4連接，外接直流電源調(diào)整到+24V±1V，電流保護(hù)設(shè)置為1.6A。專用校試夾具與匹配濾波器之間由多芯電纜連接，+24V電源通過校試夾具給匹配濾波器供電。網(wǎng)絡(luò)分析儀與匹配濾波器之間由射頻電纜連接。2.打開各設(shè)備電源；3.將頻率設(shè)置為13.7MHz±5kHz，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量其波形，確認(rèn)頻率設(shè)置正確；4.斷開網(wǎng)絡(luò)分析儀與匹配濾波器輸出的連接，輸出端接50Ω負(fù)載，如圖5連接；5.按表2的要求，撥動(dòng)校試夾具上對(duì)應(yīng)的繼電器開關(guān)；6.在網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀出阻抗和相位值；7.更換頻率時(shí)，重復(fù)步驟1—4。8.同樣的方法，還可分別測(cè)量調(diào)諧電感、負(fù)載電容、負(fù)載電感的阻抗與相位，結(jié)果與表2至表5對(duì)照，超出范圍的要調(diào)整對(duì)應(yīng)的電感、電容參數(shù)。

（二）匹配參數(shù)測(cè)量

1.回波損耗測(cè)量

如圖5連接，頻率設(shè)置為1.6MHz，按表6設(shè)置相應(yīng)的繼電器，測(cè)量S11參數(shù)的回波損耗不小于30dB，直至30 MHz。對(duì)應(yīng)的電壓駐波比應(yīng)為1.2：1。

2.插入損耗測(cè)量

如圖4連接，測(cè)量S12參數(shù)的插入損耗。按表6中頻率（A）到（E）設(shè)置相應(yīng)的繼電器，對(duì)應(yīng)的頻率范圍、測(cè)量結(jié)果滿足表7的要求。

在元器件參數(shù)滿足表2-表5的要求后，整機(jī)指標(biāo)應(yīng)滿足表6，表7的要求。表6表示匹配濾波器的匹配能力，表7表示匹配濾波器的濾波能力。

目前設(shè)計(jì)的線性功率放大器多采用晶體管推挽的結(jié)構(gòu)形式，這種形式對(duì)偶次諧波分量有抵消的作用，但奇次諧波分量仍然存在，尤其三次諧波最大約為-17dB左右，需要濾波器來減少或降低諧波分量。從表7的指標(biāo)要求可見，該設(shè)計(jì)的自動(dòng)匹配濾波器滿足發(fā)射機(jī)對(duì)諧波≤-50dB的要求。

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