1.6～30 MHz電調濾波器的設計與實現

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電調濾波器的設計與實現

張振宇

(寶雞烽火諾信科技有限公司，陜西 寶雞 721006)

基于短波通信系統數字化、小型化需求，提出了1.6～30 MHz電調帶通濾波器的設計與實現方法。該濾波器采用雙極點調諧濾波，變容管并聯諧振，用電感進行耦合的線路技術，實現了外部電壓控制(電調諧)濾波器頻率的要求。采用將濾波器按頻率分段設計，波段開關控制信號輸入輸出，實現了濾波器寬頻率范圍同步調諧的目的。同時，各分段濾波器設計集成在一塊印制板上，濾波器整個體積僅有40 mm×30 mm×8 mm。仿真結果表明，電調濾波器控制簡單、調諧方便，性能指標優良，其設計方法可行。對設計完成的實驗品進行測試，結果與仿真相吻合，同時進一步驗證了數字控制的多樣與靈活性。

濾波器；電調諧；同步調諧；波段控制；并聯諧振回路

0　引言

電調濾波器是一種新型的射頻帶通濾波器，是現代數字通信、調頻技術中不可缺少的關鍵器件[1]，尤其是軍用軟件無線電通信系統提高抗干擾能力的優選器件[2]。

電調濾波器因其體積小、工作頻帶寬、調諧速度快、設計靈活的優點[3]，近年來在通信系統射頻及接收領域得到了廣泛的應用與發展。但目前大多數電調濾波器，因調諧元件的特性及調諧電壓的限制，電調頻率范圍較窄，當接收頻率范圍較大時，只能增加濾波器的數量，對設備的成本控制和小型化設計均帶來不利影響[4]。因此，在上述條件不變的情況下，具有寬頻率調諧范圍、小體積特性的電調濾波器設計是必然趨勢。

本文延用了常規電調濾波器的設計理念，通過加入數字控制[5]電路，完成了一種寬頻率調諧范圍的電調濾波器，頻率范圍1.6～30 MHz，體積40 mm×30 mm×8 mm。此電調濾波器應用于短波通信系統。

1　設計思路與設計原理

1.1設計思路

1.6～30 MHz電調濾波器由于頻率調諧范圍寬，通信系統使用時所提供的調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個單獨的電調濾波器進行設計，工作時由控制電路根據信號選通某一段。

電調濾波器采用LC電調諧濾波器設計方法，通過改變可變電抗元件變容二極管的電容量改變頻率信號，進行電調濾波，實現同步調諧濾波器的功能。根據雙極點調諧帶通濾波器的設計方法[6]及其性能指標如帶寬、插入損耗、矩形系數、駐波比等的綜合要求對濾波器進行優化設計。

1.2設計原理

按照上述思路，1.6～30 MHz電調濾波器的設計原理框架如圖1所示。

圖1　電調濾波器設計原理

濾波器按頻率分3段，作為3個濾波器單元存在于電路中，可獨立設計調試。每個濾波器單元由電調諧電路實現其頻率調諧范圍，電調諧電路采用LC并聯諧振回路，這里的“L”值是固定的電感線圈，而 “C”值的變化實現了頻率的變化。通常情況下，電路中用變容二極管實現此功能，因此，變容二極管在電調諧電路中尤為重要。本文設計中，采用3種不同的變容二極管組，分別接入各自的濾波器單元組成諧振電路，通過外部調諧電壓的調諧，形成各頻率段電調濾波。由于1.6～30 MHz電調濾波器頻率低，電路中要用到的電感電容值就比較大，因此，單個變容二極管解決不了問題，調諧振電路中必須采用若干個變容管并聯組成二極管組，這樣，既保證了電調的頻率范圍，又降低了靈敏度，使電調濾波器的動態范圍更好。圖1中，3個分段濾波器由輸入輸出波段控制電路連接起來，工作時，控制電路根據射頻輸入信號來選通某一路進行。那么，控制電路就具有識別信號的功能或者有接收指令的能力，通過它的調度，濾波器實現了1.6～30 MHz全頻率范圍的電調濾波。電子開關就具有這種功能，可以選擇有3個以上輸出口的電子開關作為控制電路；另外，也可以采用PIN開關二極管導通方式，即3對PIN開關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，負極接2路，一路與濾波器相接，另一路接入多通道電橋驅動器，驅動器初始狀態各通道高電位，工作時，利用通道的低電位來選通某一段。本文設計中，電調濾波器控制電路主要以電子開關方式來進行，PIN二極管的控制電路方式，設計過程復雜且精細，對元器件參數要求比較高[7]，在此只做簡要介紹。

2　設計的實現

2.1電子開關的選擇與應用

選擇HittitE公司的HMC241QS16四選一子開關作為濾波器的波段控制電路。此開關是雙排共16引腳的表面貼封裝模塊，有1個信號輸入腳及4個輸出腳，TTL/CMOS控制引腳A；B及電源腳，其余腳均為地。工作時，開關加5 Vdc電源，通過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種狀態控制4個開關的通斷。本文設計中，2個電子開關的RF1～RF3分別與3段濾波器的射頻輸入與輸出相連，通過A、B的狀態選通一段工作，如圖2所示。電子開關的電源，A、B控制口加入了濾波電路，設計時，2個開關的這3個引腳對應相連，共用一個電源和電平信號，同時工作和選通。

圖2　電子開關波段控制電路

2.2變容管電調諧電路的確定

采用變容二極管與電感并聯諧振回路如圖3所示，調諧電壓通過偏置電阻R加到變容管上，串聯電容C使交流電路閉合，同時把變容管的負極與并聯電感L隔離開，從而使調諧電壓能正確加載[8]。電路中，串聯電容C取值要大，保證正常調諧，R取值小一些，減小調諧時間。本設計中，C值取2個103電容并聯，R值取幾百歐。

圖3　變容管電調諧電路

2.3電調濾波器的設計與調試

設計中電調濾波器采用雙極點調諧濾波，變容管并聯諧振回路，用電感進行耦合[9]。各分段濾波器可單獨調試，也可接入電子開關控制電路選通后調試。但在調試前，利用Agilent公司的ADS軟件進行仿真以確定電路中的電感電容值，無疑是設計的最佳途徑。

2.3.1濾波器的電路仿真

在ADS仿真軟件環境下，放入雙調諧帶通濾波器電路圖，按設計經驗給電路中電感、電容賦初始值，加S-PARAMETERS參數，濾波器兩端50 Ω阻抗參數，就可以進行仿真調試了。電調濾波器仿真調試過程中，各分段濾波器按頻率范圍的最小與最大頻率進行仿真，電感微調后固定不變，變換電容逼近主頻并確定電容值范圍。這樣實際調試中，變容管的參數及數量就可以通過計算得到。以1.6～4 MHz濾波器為例進行仿真，分別以1.6 MHz與4 MHz為主頻進行。仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4　中心頻率1.6MHz時，C=1 300 pF

圖5　中心頻率4MHz時，C=207 pF

2.3.2濾波器的調試與測試

通過仿真將電調濾波器的電感和電容值進行了確定，以此為參考，選合適的磁環繞制電感線圈，測試電感量以逼近參考值。變容管的選定比較麻煩，既要考慮電容的變化范圍，又要考慮調諧電壓。以1.6～4 MHz濾波器為例，電容范圍1 300～207 pF，外調電壓1～12 V，為了使電調濾波器的動態范圍好點，就要盡量降低電調的靈敏度。因此所選變容管的變容比要小，數量上當然就多了。本設計中，選擇了SIEMENS公司的BB640變容二極管，此管子在反向1 V時，電容值大約72 pF，12 V時，12 pF左右。根據這個參數，1.6～4 MHz濾波器單極就要用18個BB640，雙極點有36個這樣的管子參與調諧。將測試好的電感線圈及BB640變容管裝配到電調濾波器的印制板上，印制板各引腳焊光線插入專用測試夾具，波段控制電路A，B加(0，0)選通RF1，加調諧電壓調試濾波器。主頻1.6 MHz與4 MHz時濾波器調試完成的效果圖如圖6所示。

圖6　濾波器調試完成效果

從圖6可以看出，1.6～4 MHz電調濾波器這2個點的插損在-4 dB以內，-3 dB帶寬5%左右，駐波比小于2，調諧電壓1.05～11.5 V。測試矩形系數小于7，2f0抑制-60 dB左右。改變調諧電壓測試其他頻率點，也符合上述指標要求。因此，這就是1.6～4 MHz電調濾波器性能指標。可按同樣方法對另2段濾波器進行仿真、調試并測試，會得到同樣的結果，因此上述這些指標適用于整個電調濾波器。

2.4設計及調試需要注意的問題

電調濾波器設計與調試過程中，根據實際需求及應用環境，應注意以下幾點要求。

① 濾波器仿真時，插損很小，實際測試時卻高達-4 dB，這是由于電子開關接入損耗了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 調諧電壓范圍不同時，如1～10 V或1～14 V，變容管的型號、數量就不同。要選擇高Q值、一致性、線性度好的管子。裝配完成后，要對2組變容管進行總容量測試，否則調試時出現問題就比較麻煩。磁環的選擇也很重要，既要保證高Q值，而且磁導率一致性一定要好。美國微電子公司的磁環就是不錯的選擇；另外，元器件的溫度特性也要考慮進去，以保證濾波器寬溫度的工作范圍。

③ 濾波器調試時，調諧電壓一般不能調到極限以兼顧高低溫時頻率的變化。低溫時，濾波器頻率會升高，調諧電壓就會低一點，高溫時則相反。如1.6～4 MHz電調濾波器，調諧電壓1.05～11.5 V。

④ 電調濾波器外調電壓在設計時可單獨分3路供電，也可用一路電源給3段濾波器同時供電。

⑤ 電調濾波器總體外形尺寸小，僅有40 mm×30 mm×8 mm。因此，印制板的設計要合理[10]、緊湊。磁環的選擇要考慮到體積的影響。

3　電調濾波器的特點及應用

本文所述的1.6～30 MHz電調濾波器是通過內部數字控制與外部電壓調諧方式來實現寬頻范圍的濾波器，具有控制方式靈活、可控頻率范圍寬、體積小和調試簡單的優點，但也有輸入功率小的缺點。因此，本文設計適用于小功率、小型化需求的短波通信應用系統。

4　結束語

提出了1.6～30 MHz電調濾波器的設計及實現方法，并用ADS仿真軟件對此方法進行了可行性驗證。對設計完成的濾波器進行了實測與應用驗證。測試結果表明，該濾波器達到了電調諧中心頻率的要求，實現了寬頻率范圍同步調諧的目的。經應用驗證，濾波器性能指標也滿足了短波通信應用系統的使用要求。本文的設計方法對其他寬頻率范圍電調濾波器的實現有借鑒作用。

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

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電調濾波器的設計與實現[J].無線電工程,2016,46(8):61-64.