一種L波段電調(diào)微帶濾波器的設(shè)計

趙智兵，毛光軍，劉長明

(國營第七一三廠研究所，江西九江332005)

0 引言

現(xiàn)代無線電監(jiān)測接收機總體上采用超外差式結(jié)構(gòu)，來自天線的輸入信號首先通過前端窄帶預(yù)選器，其主要作用是降低接收機的總負載并可改善諸如本振再輻射、二階輸入截點、鏡頻抑制比和中頻抑制比等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。實際工程應(yīng)用的預(yù)選器通常是一套亞倍頻程濾波器組件，通過電子開關(guān)，將接收頻段分為若干子段達到分段濾波的目的。一般而言，采用固定的開關(guān)濾波器組件來覆蓋整個接收頻段勢必需要大量的濾波器，這將帶來體積龐大和靈活性差等問題，因此在接收機中應(yīng)盡可能采用電調(diào)諧濾波器，滿足其快速調(diào)諧的需要。

實現(xiàn)電調(diào)諧方式最佳方法就是把變?nèi)莨茏鳛橹C振回路的一部分，通過改變變?nèi)莨艿姆聪蚱秒妷嚎刂谱內(nèi)莨艿娜葜担瑥亩_到改變諧振頻率的目的。隨著接收頻率的升高，電路分布參數(shù)影響變大，采用微帶梳狀線諧振器加載可變電容的電調(diào)諧方式有著插入損耗小、調(diào)諧速度快、適合集成和加工簡單等優(yōu)點，適合于超短波頻段的使用。

1 設(shè)計原理

微帶梳狀線帶通濾波器的單諧振器是由在介質(zhì)襯底上光刻的一定電長度均勻?qū)挾鹊膶?dǎo)體帶條形成，為縮小微帶線長度，通常會在該短路到地的微帶線的另一端加載集總電容共同組成諧振回路。設(shè)微帶線的特性阻抗為Z0，幾何長度為l，集總電容值為C0則依據(jù)傳輸線理論，可以得到其諧振方程為:

從上式即可以得到諧振器的諧振頻率f與所加載的集總電容C0關(guān)系為:

因此，微帶梳狀線帶通濾波器的中心頻率是由諧振器的電長度、微帶線的特性阻抗和所加載的集總電容共同決定，三者之中，通過改變電容值達到調(diào)諧濾波器的中心頻率最為便捷，其調(diào)諧時間僅受變?nèi)莨芷秒娐窌r間常數(shù)所限制。在實際電路設(shè)計時，反向調(diào)節(jié)電壓通常可由FPGA自帶的DAC產(chǎn)生，從而達到數(shù)控的目的。

濾波器采用抽頭線饋電的方式，諧振器的耦合是通過相鄰諧振器之間的邊緣場得到的，間距越小，耦合越強，帶寬越寬。由于電容的加載，諧振器實際電長度會減小，因此第一寄生通帶離主通帶中心頻率較遠，能夠得到寬阻帶特性。當(dāng)把該諧振回路中的集總電容部分采用變?nèi)荻O管的方式來實現(xiàn)電調(diào)諧的時候，變?nèi)莨艿淖內(nèi)荼葲Q定著濾波器調(diào)諧所可能的覆蓋范圍，并且實際當(dāng)中應(yīng)該有一定的余量;在頻率較高的時候，變?nèi)莨艿募纳娮钑档妥內(nèi)莨艿腝值，成為制約濾波器插入損耗最主要的因素，變?nèi)莨艿募纳姼袝斐蔀V波器的諧振頻率往低端偏移，為此，在進行濾波器綜合時，必須要考慮到變?nèi)莨艿募纳鷧?shù)效應(yīng)，其中主要包括變?nèi)荻O管的等效串聯(lián)電路、引線電感和引線電容等參數(shù)。設(shè)所需要的調(diào)諧頻率覆蓋范圍為［f1，f2］，把可調(diào)濾波器退化為固定濾波器進行設(shè)計，選定其中心頻率為覆蓋范圍的幾何中心，即，諧振器的電長度選擇的范圍滿足20°≤θ0≤45°，根據(jù)諧振方程，可得到變?nèi)莨艿碾娙葑兓秶鸀?

2 濾波器的仿真與測試結(jié)果

預(yù)設(shè)計的電調(diào)諧濾波器頻率范圍覆蓋［1.5，2.1］GHz，濾波器的選擇特性為偏離中心頻率10%的地方衰減量大于30 dB，-3 dB相對帶寬變化范圍為4% ～6%。介質(zhì)基板材料選用AD255，其介電常數(shù)為2.55，基板厚度為1.016 mm，根據(jù)調(diào)諧頻率覆蓋范圍要求，變?nèi)莨苓x擇Aeroflex公司的MSV34，075-E28X，設(shè)計微帶部分時，忽略非相鄰耦合器的寄生耦合，利用ADS軟件進行電磁仿真，而電調(diào)部分則是基于變?nèi)莨艿牡刃Ｐ瓦M行路的仿真，二者“電路+磁場”聯(lián)合仿真模型和結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

利用Autocad繪制加工版圖，可調(diào)電壓應(yīng)經(jīng)一并聯(lián)電源濾波電路，通過一串聯(lián)電阻反向偏壓在變?nèi)萆稀Ｊ褂肦S公司的ZVA8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，所測得的幾個典型的反向偏壓處的S參數(shù)曲線分別如圖3所示。

圖1 ADS中電調(diào)濾波器完整仿真模型

圖2 電調(diào)濾波器仿真結(jié)果

圖3 不同反向偏壓處的S參數(shù)曲線

從測量結(jié)果可知，濾波器能夠滿足調(diào)諧范圍的要求，整個覆蓋范圍濾波器的恒定帶寬變化較小，濾波器的插入損耗在調(diào)諧頻率低端較大，在頻率高端較小，這個是由于整個諧振器的品質(zhì)因素是微帶線的品質(zhì)因素和變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因素共同決定的，變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因素主要是寄生電阻，而微帶線部分的品質(zhì)因素取決于微帶線的電長度，在幾何長度一定的情況下，調(diào)諧頻率越高，電長度越大，整個諧振器的的品質(zhì)因素也越高。一般而言，在無線電監(jiān)測接收機的射頻前端中，為了降低噪聲系數(shù)，提高接收靈敏度，對最前端射頻器件的噪聲性能有較嚴格的要求。因此，完整的電調(diào)諧預(yù)選器模塊通常采用二級電調(diào)濾波器級聯(lián)，中間增加的一個低噪聲放大器，前者可進一步提高接收機的選擇特性，而后者用來彌補濾波器帶來的插損。

3 結(jié)束語

論述了基于微帶梳狀線電調(diào)濾波器的原理與設(shè)計方法，分析了變?nèi)荻O管的寄生參數(shù)對電調(diào)濾波器帶來的影響，利用ADS軟件對其進行場路相結(jié)合的聯(lián)合仿真，實測結(jié)果表明，該設(shè)計方法有良好的參考性和可復(fù)制性。平面結(jié)構(gòu)的電調(diào)預(yù)選器具有可調(diào)諧速度快、靈活性好、體積小、加工成品一致性高，對于現(xiàn)代無線電監(jiān)測接收機的發(fā)展具有重要的意義。

［1］甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社，1973.

［2］徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］ HUNTER I C，RHODES J D.Electronically Tunable Microwave Band-pass Filters［J］.IEEE Trans.on MTT，1980，30(9):245-252.

［4］ GERMAN T P，GUSTAVO L R.A Simple Method to Design Wide-band Electronically Tunable Combline Filter［J］.IEEE Trans.on MTT，2002，50(1):152-160.

［5］ BROWN A R，REBEIZ G M.A varactor-tuned RF filter［J］.IEEE Trans.on MTT.，2000，48(7):544-556.

［6］ HONG J S，LANCASTER M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications［M］.John Wiley＆ Sons，2001.

［7］BAHL I，BHARTIA P.微波固態(tài)電路設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［8］史云濤，鐘鵬飛.變?nèi)莨茈娬{(diào)諧微波帶通濾波器的設(shè)計［J］.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1996，27(1):46-50.

［9］清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1976.