張振宇

(寶雞烽火諾信科技有限公司，陜西 寶雞 721006)

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1.6～30 MHz電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張振宇

(寶雞烽火諾信科技有限公司，陜西 寶雞 721006)

基于短波通信系統(tǒng)數(shù)字化、小型化需求，提出了1.6～30 MHz電調(diào)帶通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該濾波器采用雙極點(diǎn)調(diào)諧濾波，變?nèi)莨懿⒙?lián)諧振，用電感進(jìn)行耦合的線路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了外部電壓控制(電調(diào)諧)濾波器頻率的要求。采用將濾波器按頻率分段設(shè)計(jì)，波段開(kāi)關(guān)控制信號(hào)輸入輸出，實(shí)現(xiàn)了濾波器寬頻率范圍同步調(diào)諧的目的。同時(shí)，各分段濾波器設(shè)計(jì)集成在一塊印制板上，濾波器整個(gè)體積僅有40 mm×30 mm×8 mm。仿真結(jié)果表明，電調(diào)濾波器控制簡(jiǎn)單、調(diào)諧方便，性能指標(biāo)優(yōu)良，其設(shè)計(jì)方法可行。對(duì)設(shè)計(jì)完成的實(shí)驗(yàn)品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果與仿真相吻合，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)字控制的多樣與靈活性。

濾波器；電調(diào)諧；同步調(diào)諧；波段控制；并聯(lián)諧振回路

0　引言

電調(diào)濾波器是一種新型的射頻帶通濾波器，是現(xiàn)代數(shù)字通信、調(diào)頻技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵器件[1]，尤其是軍用軟件無(wú)線電通信系統(tǒng)提高抗干擾能力的優(yōu)選器件[2]。

電調(diào)濾波器因其體積小、工作頻帶寬、調(diào)諧速度快、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)[3]，近年來(lái)在通信系統(tǒng)射頻及接收領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。但目前大多數(shù)電調(diào)濾波器，因調(diào)諧元件的特性及調(diào)諧電壓的限制，電調(diào)頻率范圍較窄，當(dāng)接收頻率范圍較大時(shí)，只能增加濾波器的數(shù)量，對(duì)設(shè)備的成本控制和小型化設(shè)計(jì)均帶來(lái)不利影響[4]。因此，在上述條件不變的情況下，具有寬頻率調(diào)諧范圍、小體積特性的電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)。

本文延用了常規(guī)電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)加入數(shù)字控制[5]電路，完成了一種寬頻率調(diào)諧范圍的電調(diào)濾波器，頻率范圍1.6～30 MHz，體積40 mm×30 mm×8 mm。此電調(diào)濾波器應(yīng)用于短波通信系統(tǒng)。

1　設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)原理

1.1設(shè)計(jì)思路

1.6～30 MHz電調(diào)濾波器由于頻率調(diào)諧范圍寬，通信系統(tǒng)使用時(shí)所提供的調(diào)諧電壓不能滿足頻率的全覆蓋。因此，采用分段控制的方式，將1.6～30 MHz的頻率分為3段，分別是1.6～4 MHz、4～10 MHz、10～30 MHz，3段作為3個(gè)單獨(dú)的電調(diào)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作時(shí)由控制電路根據(jù)信號(hào)選通某一段。

電調(diào)濾波器采用LC電調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變可變電抗元件變?nèi)荻O管的電容量改變頻率信號(hào)，進(jìn)行電調(diào)濾波，實(shí)現(xiàn)同步調(diào)諧濾波器的功能。根據(jù)雙極點(diǎn)調(diào)諧帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法[6]及其性能指標(biāo)如帶寬、插入損耗、矩形系數(shù)、駐波比等的綜合要求對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2設(shè)計(jì)原理

按照上述思路，1.6～30 MHz電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)原理框架如圖1所示。

圖1　電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)原理

濾波器按頻率分3段，作為3個(gè)濾波器單元存在于電路中，可獨(dú)立設(shè)計(jì)調(diào)試。每個(gè)濾波器單元由電調(diào)諧電路實(shí)現(xiàn)其頻率調(diào)諧范圍，電調(diào)諧電路采用LC并聯(lián)諧振回路，這里的“L”值是固定的電感線圈，而 “C”值的變化實(shí)現(xiàn)了頻率的變化。通常情況下，電路中用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)此功能，因此，變?nèi)荻O管在電調(diào)諧電路中尤為重要。本文設(shè)計(jì)中，采用3種不同的變?nèi)荻O管組，分別接入各自的濾波器單元組成諧振電路，通過(guò)外部調(diào)諧電壓的調(diào)諧，形成各頻率段電調(diào)濾波。由于1.6～30 MHz電調(diào)濾波器頻率低，電路中要用到的電感電容值就比較大，因此，單個(gè)變?nèi)荻O管解決不了問(wèn)題，調(diào)諧振電路中必須采用若干個(gè)變?nèi)莨懿⒙?lián)組成二極管組，這樣，既保證了電調(diào)的頻率范圍，又降低了靈敏度，使電調(diào)濾波器的動(dòng)態(tài)范圍更好。圖1中，3個(gè)分段濾波器由輸入輸出波段控制電路連接起來(lái)，工作時(shí)，控制電路根據(jù)射頻輸入信號(hào)來(lái)選通某一路進(jìn)行。那么，控制電路就具有識(shí)別信號(hào)的功能或者有接收指令的能力，通過(guò)它的調(diào)度，濾波器實(shí)現(xiàn)了1.6～30 MHz全頻率范圍的電調(diào)濾波。電子開(kāi)關(guān)就具有這種功能，可以選擇有3個(gè)以上輸出口的電子開(kāi)關(guān)作為控制電路；另外，也可以采用PIN開(kāi)關(guān)二極管導(dǎo)通方式，即3對(duì)PIN開(kāi)關(guān)二極管分別接入各段濾波器入/出端，正極接射頻入/出并處于高電位，負(fù)極接2路，一路與濾波器相接，另一路接入多通道電橋驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器初始狀態(tài)各通道高電位，工作時(shí)，利用通道的低電位來(lái)選通某一段。本文設(shè)計(jì)中，電調(diào)濾波器控制電路主要以電子開(kāi)關(guān)方式來(lái)進(jìn)行，PIN二極管的控制電路方式，設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜且精細(xì)，對(duì)元器件參數(shù)要求比較高[7]，在此只做簡(jiǎn)要介紹。

2　設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1電子開(kāi)關(guān)的選擇與應(yīng)用

選擇HittitE公司的HMC241QS16四選一子開(kāi)關(guān)作為濾波器的波段控制電路。此開(kāi)關(guān)是雙排共16引腳的表面貼封裝模塊，有1個(gè)信號(hào)輸入腳及4個(gè)輸出腳，TTL/CMOS控制引腳A；B及電源腳，其余腳均為地。工作時(shí)，開(kāi)關(guān)加5 Vdc電源，通過(guò)A、B端的高、低電平選擇接通某一路。A、B口的低電平為0～0.8 Vdc，高電平2～5 Vdc，分4種狀態(tài)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷。本文設(shè)計(jì)中，2個(gè)電子開(kāi)關(guān)的RF1～RF3分別與3段濾波器的射頻輸入與輸出相連，通過(guò)A、B的狀態(tài)選通一段工作，如圖2所示。電子開(kāi)關(guān)的電源，A、B控制口加入了濾波電路，設(shè)計(jì)時(shí)，2個(gè)開(kāi)關(guān)的這3個(gè)引腳對(duì)應(yīng)相連，共用一個(gè)電源和電平信號(hào)，同時(shí)工作和選通。

圖2　電子開(kāi)關(guān)波段控制電路

2.2變?nèi)莨茈娬{(diào)諧電路的確定

采用變?nèi)荻O管與電感并聯(lián)諧振回路如圖3所示，調(diào)諧電壓通過(guò)偏置電阻R加到變?nèi)莨苌?，串?lián)電容C使交流電路閉合，同時(shí)把變?nèi)莨艿呢?fù)極與并聯(lián)電感L隔離開(kāi)，從而使調(diào)諧電壓能正確加載[8]。電路中，串聯(lián)電容C取值要大，保證正常調(diào)諧，R取值小一些，減小調(diào)諧時(shí)間。本設(shè)計(jì)中，C值取2個(gè)103電容并聯(lián)，R值取幾百歐。

圖3　變?nèi)莨茈娬{(diào)諧電路

2.3電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)與調(diào)試

設(shè)計(jì)中電調(diào)濾波器采用雙極點(diǎn)調(diào)諧濾波，變?nèi)莨懿⒙?lián)諧振回路，用電感進(jìn)行耦合[9]。各分段濾波器可單獨(dú)調(diào)試，也可接入電子開(kāi)關(guān)控制電路選通后調(diào)試。但在調(diào)試前，利用Agilent公司的ADS軟件進(jìn)行仿真以確定電路中的電感電容值，無(wú)疑是設(shè)計(jì)的最佳途徑。

2.3.1濾波器的電路仿真

在ADS仿真軟件環(huán)境下，放入雙調(diào)諧帶通濾波器電路圖，按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給電路中電感、電容賦初始值，加S-PARAMETERS參數(shù)，濾波器兩端50 Ω阻抗參數(shù)，就可以進(jìn)行仿真調(diào)試了。電調(diào)濾波器仿真調(diào)試過(guò)程中，各分段濾波器按頻率范圍的最小與最大頻率進(jìn)行仿真，電感微調(diào)后固定不變，變換電容逼近主頻并確定電容值范圍。這樣實(shí)際調(diào)試中，變?nèi)莨艿膮?shù)及數(shù)量就可以通過(guò)計(jì)算得到。以1.6～4 MHz濾波器為例進(jìn)行仿真，分別以1.6 MHz與4 MHz為主頻進(jìn)行。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4　中心頻率1.6MHz時(shí)，C=1 300 pF

圖5　中心頻率4MHz時(shí)，C=207 pF

2.3.2濾波器的調(diào)試與測(cè)試

通過(guò)仿真將電調(diào)濾波器的電感和電容值進(jìn)行了確定，以此為參考，選合適的磁環(huán)繞制電感線圈，測(cè)試電感量以逼近參考值。變?nèi)莨艿倪x定比較麻煩，既要考慮電容的變化范圍，又要考慮調(diào)諧電壓。以1.6～4 MHz濾波器為例，電容范圍1 300～207 pF，外調(diào)電壓1～12 V，為了使電調(diào)濾波器的動(dòng)態(tài)范圍好點(diǎn)，就要盡量降低電調(diào)的靈敏度。因此所選變?nèi)莨艿淖內(nèi)荼纫?，?shù)量上當(dāng)然就多了。本設(shè)計(jì)中，選擇了SIEMENS公司的BB640變?nèi)荻O管，此管子在反向1 V時(shí)，電容值大約72 pF，12 V時(shí)，12 pF左右。根據(jù)這個(gè)參數(shù)，1.6～4 MHz濾波器單極就要用18個(gè)BB640，雙極點(diǎn)有36個(gè)這樣的管子參與調(diào)諧。將測(cè)試好的電感線圈及BB640變?nèi)莨苎b配到電調(diào)濾波器的印制板上，印制板各引腳焊光線插入專用測(cè)試夾具，波段控制電路A，B加(0，0)選通RF1，加調(diào)諧電壓調(diào)試濾波器。主頻1.6 MHz與4 MHz時(shí)濾波器調(diào)試完成的效果圖如圖6所示。

圖6　濾波器調(diào)試完成效果

從圖6可以看出，1.6～4 MHz電調(diào)濾波器這2個(gè)點(diǎn)的插損在-4 dB以內(nèi)，-3 dB帶寬5%左右，駐波比小于2，調(diào)諧電壓1.05～11.5 V。測(cè)試矩形系數(shù)小于7，2f0抑制-60 dB左右。改變調(diào)諧電壓測(cè)試其他頻率點(diǎn)，也符合上述指標(biāo)要求。因此，這就是1.6～4 MHz電調(diào)濾波器性能指標(biāo)?？砂赐瑯臃椒▽?duì)另2段濾波器進(jìn)行仿真、調(diào)試并測(cè)試，會(huì)得到同樣的結(jié)果，因此上述這些指標(biāo)適用于整個(gè)電調(diào)濾波器。

2.4設(shè)計(jì)及調(diào)試需要注意的問(wèn)題

電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際需求及應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求。

① 濾波器仿真時(shí)，插損很小，實(shí)際測(cè)試時(shí)卻高達(dá)-4 dB，這是由于電子開(kāi)關(guān)接入損耗了1～1.5 dB，如果有更高的要求，可選擇其他控制方式，如前面介紹的PIN二極管控制方式。

② 調(diào)諧電壓范圍不同時(shí)，如1～10 V或1～14 V，變?nèi)莨艿男吞?hào)、數(shù)量就不同。要選擇高Q值、一致性、線性度好的管子。裝配完成后，要對(duì)2組變?nèi)莨苓M(jìn)行總?cè)萘繙y(cè)試，否則調(diào)試時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題就比較麻煩。磁環(huán)的選擇也很重要，既要保證高Q值，而且磁導(dǎo)率一致性一定要好。美國(guó)微電子公司的磁環(huán)就是不錯(cuò)的選擇；另外，元器件的溫度特性也要考慮進(jìn)去，以保證濾波器寬溫度的工作范圍。

③ 濾波器調(diào)試時(shí)，調(diào)諧電壓一般不能調(diào)到極限以兼顧高低溫時(shí)頻率的變化。低溫時(shí)，濾波器頻率會(huì)升高，調(diào)諧電壓就會(huì)低一點(diǎn)，高溫時(shí)則相反。如1.6～4 MHz電調(diào)濾波器，調(diào)諧電壓1.05～11.5 V。

④ 電調(diào)濾波器外調(diào)電壓在設(shè)計(jì)時(shí)可單獨(dú)分3路供電，也可用一路電源給3段濾波器同時(shí)供電。

⑤ 電調(diào)濾波器總體外形尺寸小，僅有40 mm×30 mm×8 mm。因此，印制板的設(shè)計(jì)要合理[10]、緊湊。磁環(huán)的選擇要考慮到體積的影響。

3　電調(diào)濾波器的特點(diǎn)及應(yīng)用

本文所述的1.6～30 MHz電調(diào)濾波器是通過(guò)內(nèi)部數(shù)字控制與外部電壓調(diào)諧方式來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻范圍的濾波器，具有控制方式靈活、可控頻率范圍寬、體積小和調(diào)試簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但也有輸入功率小的缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)適用于小功率、小型化需求的短波通信應(yīng)用系統(tǒng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

提出了1.6～30 MHz電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，并用ADS仿真軟件對(duì)此方法進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。對(duì)設(shè)計(jì)完成的濾波器進(jìn)行了實(shí)測(cè)與應(yīng)用驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，該濾波器達(dá)到了電調(diào)諧中心頻率的要求，實(shí)現(xiàn)了寬頻率范圍同步調(diào)諧的目的。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，濾波器性能指標(biāo)也滿足了短波通信應(yīng)用系統(tǒng)的使用要求。本文的設(shè)計(jì)方法對(duì)其他寬頻率范圍電調(diào)濾波器的實(shí)現(xiàn)有借鑒作用。

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張振宇男，(1972—)，工程師。主要研究方向：振蕩器、濾波器等器件的設(shè)計(jì)與制造和電子線路設(shè)計(jì)。

Design and Implementation of 1.6～30 MHz Electrically Tunable Filter

ZHANG Zhen-yu

(BaojiFenghouNuoxinTechnologyCo.,Ltd,BaojiShaanxi721006,China)

Based on the requirement of HF communication system digitalization and miniaturization,a feasible design and implementation method of 1.6～30 MHz electrically tunable band-pass filter is presented.The filter uses the inductively coupled circuit technique,employing the two-pole varactor diode parallel resonance to meet the requirement of external voltage frequency control.To achieve synchronous tuning in a wide frequency range,the filter adopts a segmented design based on frequency bands,and the band switch controls the in/output signals.Simultaneously,the segmented filter is integrated into a printed circuit board with a size of only 40 mm×30 mm×8 mm.The simulation results show that the electrically tunable filter has the advantages of easy control,convenient tuning and excellent performance,and the design method is feasible.The test result is consistent with the simulation data,which further verifies the diversity and flexibility of digital control.

filter;electric tuning;synchronous tuning;band control;parallel resonant circuit

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.15

2016-05-19

TN713+.5

A

1003-3106(2016)08-0061-04

引用格式：張振宇.1.6～30 MHz電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2016,46(8):61-64.