周水杉, 章 莉

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可調(diào)濾波器的應(yīng)用和發(fā)展

周水杉1, 章 莉2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，河北 石家莊 050051；2. 成都宏明電子股份有限公司，四川 成都 610051）

介紹了可調(diào)濾波器的應(yīng)用背景和國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了VHF/UHF通信用LC可調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)，給出了增強(qiáng)二次諧波抑制的跳頻濾波器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

LC可調(diào)濾波器；VHF/UHF通信；二次諧波抑制；設(shè)計(jì)軟件；應(yīng)用；發(fā)展

為了確保復(fù)雜軍事系統(tǒng)“制電磁權(quán)”，DARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）把可重構(gòu)/可調(diào)諧射頻/微波濾波器列入自適應(yīng)射頻技術(shù)項(xiàng)目（ART），作為四大戰(zhàn)略投資重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

美軍根據(jù)1989年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)自己飛機(jī)誤炸自己坦克的教訓(xùn)，隨之實(shí)施軍用電臺(tái)升級(jí)換代，由海陸空各占一段電臺(tái)頻率并采用不同調(diào)制方式改為海陸空互通互連，這就要求一部電臺(tái)的工作頻率覆蓋范圍大大加寬。為了提高抗干擾能力，必須采用寬帶線性功率放大器和快速變頻的帶通濾波器。寬帶線性功率放大器帶寬越寬，功率越大，線性越好；帶通濾波器跳頻速率越高，跳頻帶寬越寬，瞬時(shí)通帶越窄，矩形系數(shù)越好，動(dòng)態(tài)范圍越大，則通訊距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。于是一個(gè)專門研制生產(chǎn)可調(diào)濾波器的POLEZERO公司應(yīng)運(yùn)而生。相應(yīng)軍用電臺(tái)的頻率跳變和調(diào)制方式變換均依賴軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這種電子可重構(gòu)濾波器也是寬帶雷達(dá)或電子軍用系統(tǒng)渴望得到的。因此近十年來，可調(diào)濾波器一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-3]。

可調(diào)濾波器主要有可調(diào)帶通濾波器和可調(diào)帶阻濾波器?？烧{(diào)帶通濾波器，主要要求保持濾波特性（如絕對(duì)或相對(duì)通帶帶寬）基本不變，中心工作頻率可以在很寬頻率范圍快速改變（連續(xù)或跳變）。按變頻方法主要可以分為：

1. 改變?yōu)V波器電參數(shù)：改變電容(采用變?nèi)莨堋?chǎng)效應(yīng)管或采用開關(guān)電容組；新的BST鈦酸鍶鋇壓敏電容)，改變電感（有源可調(diào)電感；通過改變磁場(chǎng)，改變YIG單晶小球諧振頻率或頻率較低時(shí)采用開關(guān)電感陣列）；

2. 改變?yōu)V波器幾何尺寸：如用機(jī)械方式改變螺旋濾波器、同軸濾波器或波導(dǎo)腔體濾波器對(duì)諧振頻率敏感的腔體尺寸，采用MEMS（微機(jī)械系統(tǒng)）開關(guān)改變微帶或懸置微帶諧振器的長(zhǎng)度；

3. 改變?yōu)V波器通斷工作狀態(tài)：如采用帶通濾波器組開關(guān)切換；

4. 通過改變相位達(dá)到改變合成濾波器工作頻率：在并聯(lián)耦合切換延遲線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電調(diào)可重構(gòu)微波濾波器；

5. 通過改變傳輸相速度等改變?yōu)V波器工作頻率：體聲波（BAW-SMR和FBAR）濾波器的中心頻率的調(diào)諧范圍可以超過2％～5％，甚至是3～4倍。

目前幾種可調(diào)濾波器和開關(guān)的典型性能對(duì)比如表1、表2。

表1 可調(diào)帶通濾波器典型性能對(duì)比

Tab.1 Typical performance comparisons of tunable bandpass filter

參數(shù)機(jī)械式腔體YIG單晶球變?nèi)荻O管PIN開關(guān)管MEMS開關(guān)BST壓敏電容 插損IL /dB0.5～2.53～81～71～83～81.7～5 有載Q值> 1000> 500< 50< 50< 100＞80 功率處理能力/W50020.011～10021～100 帶寬/%0.3～30.2～33～202～101～10> 4 交調(diào)IIP3/dBm非常高< 3010～3040～60> 50>40 調(diào)諧速度/(109 Hz·ms–1)非常低0.5～210～102103102 功耗高高0中00 小型化否否是是是是

表2 FET 開關(guān)，PIN二極管和 RF-MEMS開關(guān)性能對(duì)比

Tab.2 Performance comparisons of FET switches, PIN diodes and RF-MEMS switches

參數(shù)RF-MEMSPINFET 電壓/V20～100(+3～+5)/(–80～–400)3～5 電流/A00.1～50 功耗/mW0.05～0.150～10000.05～0.1 開關(guān)時(shí)間/μs10～3001～201～100 串聯(lián)電容/fF2～1240~8070～140 串聯(lián)電阻/Ω0.5～2 2～44～6 電容比20～300 10N/A 截止頻率/THz20～801～4 0.5～2 隔離(0.01～10 GHz)高高中 隔離 (10～40 GHz)高中低 隔離 (60～100 GHz)高中無 損耗 (1～100 GHz) /dB0.05～0.20.3～1.20.4～2.5 功率處理能力/W<5<100<10 交調(diào)IIP3 /dBm60～8027～6027～45

1 可調(diào)濾波器的國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀

早期的YIG小球磁調(diào)諧寬帶可調(diào)濾波器，已用于微波掃頻源，但其調(diào)諧速度較低。采用MEMS開關(guān)一分布參數(shù)式可調(diào)帶通濾波器，已有產(chǎn)品報(bào)道。美國(guó)POLEZERO公司已生產(chǎn)1.5MHZ～2 GHz電調(diào)帶通濾波器和1.5 MHz～1GHz開關(guān)電容式跳頻濾波器，其中30～400MHz其最高功率可達(dá)100W[4]（見表3）。Hittite Microwave Corporation采用有源可調(diào)電感生產(chǎn)MMIC單片微波集成可調(diào)濾波器，包括低通和帶通[5]（見表4）。美國(guó)Active Spectrum和K&L微波公司生產(chǎn)的機(jī)械式可調(diào)濾波器產(chǎn)品。PARATEK MICROWAVE公司基于BST(鈦酸鍶鋇)壓敏電容特性專業(yè)化生產(chǎn)可調(diào)帶通濾波器（BPF）。國(guó)內(nèi)中電科13所、武漢博暢、廣州圣大、北京七星華創(chuàng)等也研制部分產(chǎn)品。

表3 POLEZERO公司產(chǎn)品主要性能

Tab.3 The main performances of POLEZERO company's products

型 號(hào)IL(BW3dB = 4%)dBP1dBdBmIIP3dBm電流（+5V DC）mA覆蓋頻率范圍MHz MEGA1.0+48+58＜500030～400 (3Band) Power2.2+43+53＜150010～700 (6 Band) Maxi2.5+32+45＜5001.5～1000 (9 Band) Mini5.0+32+45＜2501.5～1000 (9 Band) Micro4.0+0+10＜110～2000 (8 Band)

表4 Hittite Microwave 公司單片微波集成可調(diào)濾波器性能

Tab.4 Performances of monolithic microwave integrated tunable filter of Hittite Microwave Corporation

型 號(hào)頻率 GHz特性調(diào)諧速度(109Hz·ns–1)通帶調(diào)整GHz阻帶調(diào)整dB HMC890LP5E1～2BPF1/200f0±3%30 dB/9 GHz HMC891LP5E2～3.9BPF1.9/200f0±3% HMC899LP4E19～38BPF1/200BW3dB=18%BW20dB=35% HMC881LP5EDC-2.2/4LPF1.8/1502.2～4.035 dB/30GHz HMC882LP5EDC-4.5/7.6LPF3.1/1504.5～7.6 HMC1000LP5E3.6～12.2BRF200IL=3 dBBW20dB=6%～14%;

2 可調(diào)LC帶通濾波器的主要指標(biāo)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1．選擇性

通帶帶寬：BW3dB（或以(BW3dB/0)×100%表示）；

通帶插損：IL(dB)；

阻帶衰減：BW30dB或指定頻帶0±Δ的衰減量；20的衰減量；

矩形系數(shù)：BW30dB/ BW3dB。

2．I/O(輸入、輸出)級(jí)聯(lián)特性

輸入、輸出阻抗與電壓駐波比VSWR（或11、22）；

動(dòng)態(tài)線性指標(biāo)：通帶內(nèi)輸入端P1dB、IP3、IP2；

允許輸入的最大射頻功率（不損壞）；

通帶相位群時(shí)延及相位抖動(dòng)。

3．調(diào)諧特性

可調(diào)頻率范圍H、L；

調(diào)諧速度；調(diào)諧功耗（電壓、電流）；調(diào)諧方式和頻點(diǎn)編碼設(shè)置。

4．工作溫度范圍

中心頻率誤差（或溫度漂移）。

5．結(jié)構(gòu)尺寸、安裝連接方式、重量

可調(diào)LC帶通濾波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在固定LC帶通濾波器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加兩項(xiàng)主要要求：

a. 可重構(gòu)性：

中心頻率可調(diào)，同時(shí)保持BW3dB絕對(duì)帶寬或BW3dB/0相對(duì)帶寬不變，并保證電壓駐波比和矩形系數(shù)小于設(shè)計(jì)值，希望可調(diào)覆蓋頻率范圍H/L盡可能大；有時(shí)要求BW3dB/0相對(duì)帶寬可調(diào)，如通帶的上邊帶或下邊帶可調(diào)。

b. 可實(shí)現(xiàn)性：

可調(diào)元件盡可能少，容易實(shí)現(xiàn)；其余元件參數(shù)基本不隨頻率變化而變化。

在1MHz～3 GHz范圍，頻率較低，濾波器容易用集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)，因此VHF/UHF高速跳頻通信電臺(tái)用可調(diào)帶通濾波器，優(yōu)先采用LC濾波器。為實(shí)現(xiàn)中心頻率寬帶可調(diào)，比較各種電路拓?fù)?，最佳選擇是串聯(lián)電感耦合帶通濾波器電路。文獻(xiàn)[6]第5章介紹了集總元件耦合諧振器濾波器，給出了串聯(lián)電容耦合、互感耦合和并聯(lián)電感耦合三種帶通濾波器電路設(shè)計(jì)公式，但未給出串聯(lián)電感耦合帶通濾波器。

3 可調(diào)LC濾波器的設(shè)計(jì)和增強(qiáng)二次諧波抑制的驗(yàn)證

文獻(xiàn)[7]提出：根據(jù)對(duì)偶原理，可由電容耦合帶通濾波器電路參數(shù)求出串聯(lián)電感耦合帶通濾波器的電路參數(shù)，如采用Ansoft Design V2設(shè)計(jì)軟件給出的電容耦合帶通濾波器參數(shù)，再換算求出串聯(lián)電感耦合帶通濾波器的參數(shù)。更好的是采用RFFiliterVer-3.30 設(shè)計(jì)軟件，可直接獲得串聯(lián)電感耦合帶通濾波器的電路參數(shù)?？紤]高速數(shù)據(jù)或圖象傳輸群延遲特性，宜采用最大平坦型設(shè)計(jì)。典型雙調(diào)諧電路如圖1。

為改善電感耦合電路低頻端衰減較差的特點(diǎn)，同時(shí)為了改善匹配，可在兩端加載T型高通網(wǎng)絡(luò)(圖1(b))或Γ型高通網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)要求以L調(diào)到H時(shí)，如按f=（LH）1/2設(shè)計(jì)電路參數(shù)，在保證帶通濾波器特性不變， BW3dB/0在3%～10%范圍，保證通帶內(nèi)VSWR≤1.5，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)范圍H/L=4。實(shí)際制作當(dāng)通帶較窄時(shí)，LS2較大，可將電感π型網(wǎng)絡(luò)變換為T型網(wǎng)絡(luò)。

可調(diào)LC濾波器的設(shè)計(jì)程序如圖2。

可調(diào)LC濾波器的設(shè)計(jì)程序基礎(chǔ)上，選擇空心線圈作電感，選擇合適的高變?nèi)荻O管就可完成輸入動(dòng)態(tài)15dBm以下的毫瓦級(jí)電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)。如果采用BST壓敏電容器，則可完成輸入動(dòng)態(tài)達(dá)瓦級(jí)電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)。如用增量二進(jìn)制開關(guān)電容陣列算法，實(shí)現(xiàn)從對(duì)應(yīng)H的min變化到對(duì)應(yīng)L的max，也可完成瓦級(jí)數(shù)控跳頻濾波器的設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)10W級(jí)和100W級(jí)的大功率跳頻濾波器，為簡(jiǎn)化輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，可以設(shè)計(jì)并聯(lián)諧振電容足夠大，無需加載T型高通網(wǎng)絡(luò)或Γ型高通網(wǎng)絡(luò)。

文獻(xiàn)[7]提出了一種增強(qiáng)跳頻濾波器二次諧波抑制的專利技術(shù)，本文給出了一個(gè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，見圖3。與圖1 相比，增加了電感L6+L8和L7+L9，級(jí)間耦合電感L2變成接在L6和L8（L7和L9）之間。其中（C1+C3）與L8，（C2+C4）與L9同時(shí)在2發(fā)生串聯(lián)諧振，形成衰減極點(diǎn)；（C1+C3）與L8+L6+L4，（C2+C4）與L9+L7+L5同時(shí)在發(fā)生并聯(lián)諧振，形成傳輸零點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)需采用專利算法。采用Agilent Technologies公司 ADS（Advanced Design System 2009）設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真。ADS仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果見表5和圖4，調(diào)試頻點(diǎn)數(shù)據(jù)見表6。在ADS仿真基礎(chǔ)上，選擇高電容器和大功率PIN二極管，裝配開關(guān)驅(qū)動(dòng)和跳頻程控電路，輸入、輸出和級(jí)間耦合電感采用0.8～1mm直徑的漆包線繞制成空心線圈，而并聯(lián)諧振電感要求用小于1/16波長(zhǎng)的同軸線實(shí)現(xiàn)，以降低損耗，改善散熱。采用Agilent 公司網(wǎng)絡(luò)分析儀8753ES測(cè)試跳頻濾波器的帶通濾波器特性，用射頻信號(hào)跳頻源E4432加射頻功率放大器(1 mW放大到100 W)加頻譜儀HP8563E測(cè)試跳頻濾波器大功率下通帶插損和阻帶衰減，測(cè)試系統(tǒng)方框圖見圖5、圖6。測(cè)試結(jié)果見表7、表8，所研制的跳頻濾波器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，同等帶寬，雙調(diào)諧二次諧波抑制改善20～30 dB。

表5 ADS仿真數(shù)據(jù)

Tab.5 Simulation results of ADS

fMHzC1=C2pFC3=C4pFS11dBS21dBBW3dB/f0 %S21 ( f0±10%)dBS21(2f0)dBESRΩ 22549.83.9–47.365–0.7257.972–18.225–14.602–125.3250.07 33820.43.9–20.831–0.6367.765–18.181–14.237–144.7360.10 5126.953.9–29.844–0.6177.401–19.836–14.946–125.2930.25

表6 調(diào)試頻點(diǎn)數(shù)據(jù)

Tab.6 Debug frequency point data

CipFPIN11位電容碼0為通/1為斷頻率碼n頻點(diǎn)MHz 全斷8.37+3.911111111111250512 C110.4MA4P7446單管11111111110249510.8 C100.6MA4P7446單管11111111101248509.3 C90.8MA4P7446單管11111111011245506.7 C81.2MA4P7446單管11111110111242502.4 C71.5MA4P506單管11111101111234494.0 C62.4MA4P506單管11111011111220477.5 C53.9MA4P506單管11110111111195448.6 C46.8MA4P506單管11101111111160408.6 C310MA4P506單管11001111111108349.3 C211MA4P506單管1000111111164298.3 C111MA4P7464雙管0000111111134264.3 C03.9接地 全通49.6+3.900000000000 0 225

表7 跳頻濾波器大功率特性數(shù)據(jù)

Fig.7 High power characteristic data of frequency hopping filter

頻率MHz功率放大器輸出功率dBm濾波器接入后的插損dB 24049.71.5 41449.31.1 51249.50.7

表8 跳頻濾波器特性測(cè)試數(shù)據(jù)

Fig.8 Characteristic test data of frequency hopping filter

頻率MHzBW3dB MHzBW3dB %插入損耗dB駐波比 S11dB二次諧波dBc 220.315.26.81.1–20–70 243.717.17.01.2–20–72 265.717.06.41.4–20–75 285.518.06.31.5–20–78 307.820.06.51.5–20–80 325.622.06.71.5–20–85 348.022.06.31.3–20–86 369.020.65.61.4–20–85 408.030.07.31.0–19–83 430.331.67.31.1–18.7–82 450.631.06.90.8–20–78 479.033.56.90.8–20–78 492.834.47.00.8–20–74 510.036.77.20.7–20–74 520.037.47.20.6–20–73

4 結(jié)束語

本文介紹了可調(diào)濾波器的應(yīng)用背景和國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了VHF/UHF通信用LC可調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]給出了30 MHz～3 GHz可調(diào)帶通濾波器的典型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[7]提出了一種增強(qiáng)跳頻濾波器二次諧波抑制的專利技術(shù)，本文給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可用于30 MHz~1 GHz開關(guān)電容式跳頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

[1] CHEN J Y, TSAI H J, CHEN N W. Bandwidth reconfigurable microwave bandpass filter[C]//Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International. New York: IEEE, 2011.

[2] 雷瑤. 寬調(diào)諧高線性電調(diào)濾波器的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

[3] 吳邊.電調(diào)濾波器研究概述[R]. 西安：西安電子科技大學(xué)AEMC Group，2012.

[4] BOUHAMAME M, LOCOCO L, ROBERT S. Tunable RF filter: U.S. Patent, 9246453 [P]. 2016-01-26.

[5] Hittite Microwave Corporation. Ultra compact tunable MMIC filters for RF & microwave systems[EB/OL]. [2010-05-16]. http://www.Hittite.com.

[6] 甘本祓，吳萬春. 現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[7] 章錦泰，王倩倩. 一種新型跳頻共址濾波器：中國(guó)，CN103997312A[P]. 2014-06-03.

[8] 章莉，章錦泰，王倩倩. 一種新型LC電調(diào)帶通濾波器和LC電調(diào)帶阻濾波器：中國(guó)，CN204425292U [P]. 2015-02-14.

Aplication and development of tunable filters

ZHOU Shuishan1，ZHANG Li2

( 1. CETC No.13 research institute, Shijiazhuang 050051, China; 2. Hongming Electronics Co.,Ltd, Chengdu 610051, China）

The application background and research status of tunable filter at home and abroad was reviewed. The design software of LC tunable filter for VHF/UHF communication was mainly introduced. The frequency hopping filter design and validation for the enhancement of secondary esonance wave restraint was given.

LC tunable filiter; VHF/UHF comunication; second harmonic suppression;design software；application; development

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.020

TN713

A

1001-2028（2016）09-0092-05

2016-08-19 通訊作者：周水杉

周水杉（1961－），男，河北邯鄲人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄔ骷?、電子陶瓷及高端傳感? E-mail:lxqing9725@sina.com；章莉（1970－），女，江蘇無錫人，碩士，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，主要研究方向?yàn)樾滦碗娮釉c組件，E-mail:maryli11@sina.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 11:04:53 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.tn.20160902.1104.003.html

（編輯：陳豐）