可調濾波器的應用和發展

周水杉, 章 莉

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可調濾波器的應用和發展

周水杉1, 章 莉2

（1.中國電子科技集團公司第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）

介紹了可調濾波器的應用背景和國內外研制現狀，重點介紹了VHF/UHF通信用LC可調濾波器的設計，給出了增強二次諧波抑制的跳頻濾波器的設計和驗證。

LC可調濾波器；VHF/UHF通信；二次諧波抑制；設計軟件；應用；發展

為了確保復雜軍事系統“制電磁權”，DARPA（美國國防高級研究計劃局）把可重構/可調諧射頻/微波濾波器列入自適應射頻技術項目（ART），作為四大戰略投資重點領域之一。

美軍根據1989年海灣戰爭自己飛機誤炸自己坦克的教訓，隨之實施軍用電臺升級換代，由海陸空各占一段電臺頻率并采用不同調制方式改為海陸空互通互連，這就要求一部電臺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，瞬時通帶越窄，矩形系數越好，動態范圍越大，則通訊距離越遠，抗干擾能力越強。于是一個專門研制生產可調濾波器的POLEZERO公司應運而生。相應軍用電臺的頻率跳變和調制方式變換均依賴軟件無線電技術實現。這種電子可重構濾波器也是寬帶雷達或電子軍用系統渴望得到的。因此近十年來，可調濾波器一直是國內外研究的熱點[1-3]。

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

1. 改變濾波器電參數：改變電容(采用變容管、場效應管或采用開關電容組；新的BST鈦酸鍶鋇壓敏電容)，改變電感（有源可調電感；通過改變磁場，改變YIG單晶小球諧振頻率或頻率較低時采用開關電感陣列）；

2. 改變濾波器幾何尺寸：如用機械方式改變螺旋濾波器、同軸濾波器或波導腔體濾波器對諧振頻率敏感的腔體尺寸，采用MEMS（微機械系統）開關改變微帶或懸置微帶諧振器的長度；

3. 改變濾波器通斷工作狀態：如采用帶通濾波器組開關切換；

4. 通過改變相位達到改變合成濾波器工作頻率：在并聯耦合切換延遲線的基礎上實現電調可重構微波濾波器；

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

目前幾種可調濾波器和開關的典型性能對比如表1、表2。

表1 可調帶通濾波器典型性能對比

Tab.1 Typical performance comparisons of tunable bandpass filter

參數機械式腔體YIG單晶球變容二極管PIN開關管MEMS開關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IIP3/dBm非常高< 3010～3040～60> 50>40 調諧速度/(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，PIN二極管和 RF-MEMS開關性能對比

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

參數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 開關時間/μs10～3001～201～100 串聯電容/fF2～1240~8070～140 串聯電阻/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IIP3 /dBm60～8027～6027～45

1 可調濾波器的國內外研制現狀

早期的YIG小球磁調諧寬帶可調濾波器，已用于微波掃頻源，但其調諧速度較低。采用MEMS開關一分布參數式可調帶通濾波器，已有產品報道。美國POLEZERO公司已生產1.5MHZ～2 GHz電調帶通濾波器和1.5 MHz～1GHz開關電容式跳頻濾波器，其中30～400MHz其最高功率可達100W[4]（見表3）。Hittite Microwave Corporation采用有源可調電感生產MMIC單片微波集成可調濾波器，包括低通和帶通[5]（見表4）。美國Active Spectrum和K&L微波公司生產的機械式可調濾波器產品。PARATEK MICROWAVE公司基于BST(鈦酸鍶鋇)壓敏電容特性專業化生產可調帶通濾波器（BPF）。國內中電科13所、武漢博暢、廣州圣大、北京七星華創等也研制部分產品。

表3 POLEZERO公司產品主要性能

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

型 號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濾波器性能

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

型 號頻率 GHz特性調諧速度(109Hz·ns–1)通帶調整GHz阻帶調整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LC帶通濾波器的主要指標和電路拓撲結構

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：BW30dB/ BW3dB。

2．I/O(輸入、輸出)級聯特性

輸入、輸出阻抗與電壓駐波比VSWR（或11、22）；

動態線性指標：通帶內輸入端P1dB、IP3、IP2；

允許輸入的最大射頻功率（不損壞）；

通帶相位群時延及相位抖動。

3．調諧特性

可調頻率范圍H、L；

調諧速度；調諧功耗（電壓、電流）；調諧方式和頻點編碼設置。

4．工作溫度范圍

中心頻率誤差（或溫度漂移）。

5．結構尺寸、安裝連接方式、重量

可調LC帶通濾波器的電路拓撲結構是在固定LC帶通濾波器電路拓撲結構基礎上，增加兩項主要要求：

a. 可重構性：

中心頻率可調，同時保持BW3dB絕對帶寬或BW3dB/0相對帶寬不變，并保證電壓駐波比和矩形系數小于設計值，希望可調覆蓋頻率范圍H/L盡可能大；有時要求BW3dB/0相對帶寬可調，如通帶的上邊帶或下邊帶可調。

b. 可實現性：

可調元件盡可能少，容易實現；其余元件參數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元件實現，因此VHF/UHF高速跳頻通信電臺用可調帶通濾波器，優先采用LC濾波器。為實現中心頻率寬帶可調，比較各種電路拓撲，最佳選擇是串聯電感耦合帶通濾波器電路。文獻[6]第5章介紹了集總元件耦合諧振器濾波器，給出了串聯電容耦合、互感耦合和并聯電感耦合三種帶通濾波器電路設計公式，但未給出串聯電感耦合帶通濾波器。

3 可調LC濾波器的設計和增強二次諧波抑制的驗證

文獻[7]提出：根據對偶原理，可由電容耦合帶通濾波器電路參數求出串聯電感耦合帶通濾波器的電路參數，如采用Ansoft Design V2設計軟件給出的電容耦合帶通濾波器參數，再換算求出串聯電感耦合帶通濾波器的參數。更好的是采用RFFiliterVer-3.30 設計軟件，可直接獲得串聯電感耦合帶通濾波器的電路參數。考慮高速數據或圖象傳輸群延遲特性，宜采用最大平坦型設計。典型雙調諧電路如圖1。

為改善電感耦合電路低頻端衰減較差的特點，同時為了改善匹配，可在兩端加載T型高通網絡(圖1(b))或Γ型高通網絡。當要求以L調到H時，如按f=（LH）1/2設計電路參數，在保證帶通濾波器特性不變， BW3dB/0在3%～10%范圍，保證通帶內VSWR≤1.5，可實現可調范圍H/L=4。實際制作當通帶較窄時，LS2較大，可將電感π型網絡變換為T型網絡。

可調LC濾波器的設計程序如圖2。

可調LC濾波器的設計程序基礎上，選擇空心線圈作電感，選擇合適的高變容二極管就可完成輸入動態15dBm以下的毫瓦級電調濾波器的設計。如果采用BST壓敏電容器，則可完成輸入動態達瓦級電調濾波器的設計。如用增量二進制開關電容陣列算法，實現從對應H的min變化到對應L的max，也可完成瓦級數控跳頻濾波器的設計。要實現10W級和100W級的大功率跳頻濾波器，為簡化輸入、輸出匹配網絡，可以設計并聯諧振電容足夠大，無需加載T型高通網絡或Γ型高通網絡。

文獻[7]提出了一種增強跳頻濾波器二次諧波抑制的專利技術，本文給出了一個驗證設計，見圖3。與圖1 相比，增加了電感L6+L8和L7+L9，級間耦合電感L2變成接在L6和L8（L7和L9）之間。其中（C1+C3）與L8，（C2+C4）與L9同時在2發生串聯諧振，形成衰減極點；（C1+C3）與L8+L6+L4，（C2+C4）與L9+L7+L5同時在發生并聯諧振，形成傳輸零點。設計時需采用專利算法。采用Agilent Technologies公司 ADS（Advanced Design System 2009）設計軟件進行仿真。ADS仿真數據及結果見表5和圖4，調試頻點數據見表6。在ADS仿真基礎上，選擇高電容器和大功率PIN二極管，裝配開關驅動和跳頻程控電路，輸入、輸出和級間耦合電感采用0.8～1mm直徑的漆包線繞制成空心線圈，而并聯諧振電感要求用小于1/16波長的同軸線實現，以降低損耗，改善散熱。采用Agilent 公司網絡分析儀8753ES測試跳頻濾波器的帶通濾波器特性，用射頻信號跳頻源E4432加射頻功率放大器(1 mW放大到100 W)加頻譜儀HP8563E測試跳頻濾波器大功率下通帶插損和阻帶衰減，測試系統方框圖見圖5、圖6。測試結果見表7、表8，所研制的跳頻濾波器滿足設計指標。與傳統設計相比，同等帶寬，雙調諧二次諧波抑制改善20～30 dB。

表5 ADS仿真數據

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 調試頻點數據

Tab.6 Debug frequency point data

CipFPIN11位電容碼0為通/1為斷頻率碼n頻點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據

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 跳頻濾波器特性測試數據

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 結束語

本文介紹了可調濾波器的應用背景和國內外研制現狀，重點介紹了VHF/UHF通信用LC可調濾波器的設計。文獻[8]給出了30 MHz～3 GHz可調帶通濾波器的典型設計數據。文獻[7]提出了一種增強跳頻濾波器二次諧波抑制的專利技術，本文給出了實驗驗證，可用于30 MHz~1 GHz開關電容式跳頻帶通濾波器的設計。

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[6] 甘本祓，吳萬春. 現代微波濾波器的結構與設計[M]. 北京：科學出版社，2006.

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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，高級工程師，主要研究方向為微波元器件、電子陶瓷及高端傳感器, E-mail:lxqing9725@sina.com；章莉（1970－），女，江蘇無錫人，碩士，高級經濟師，主要研究方向為新型電子元件與組件，E-mail:maryli11@sina.com。

網絡出版時間：2016-09-02 11:04:53 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.tn.20160902.1104.003.html

（編輯：陳豐）