數控可選通微帶濾波器組的設計與仿真

曹良足,符先敏,蔡兵兵，李子敬

(景德鎮陶瓷大學 機電學院，江西 景德鎮 333403)

0 引言

隨著通信技術的飛速發展，濾波器的應用越來越廣泛。常用電調濾波器的調頻范圍有限，數控可選通微帶濾波器可設計更寬的調頻范圍，更方便的調頻方式。張宇平等[1]研究了五路開關濾波器組，每個開關由1只梁式PIN二極管和3個并聯的PIN二極管管芯組成，單個開關的插入損耗達1.5 dB。譚笑等[2]分析了兩波段開關濾波器的功率容量、散熱和高低波段間的隔離度問題，每個開關由2只串聯的PIN管構成的。侯芳等[3]研制了小型化微機電系統(MEMS)開關濾波器，由4個MEMS濾波器和2個PIN單刀四擲開關構成，開關濾波器的插入損耗最大約為4.7 dB。王玲等[4]研制了8路開關窄帶濾波器，每個開關由1個串聯PIN管和1個并聯PIN管組成的Γ型結構，但開關濾波器的插入損耗高達18～25 dB。楊曉東等[5]設計并制作了基于低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝技術的8通道選頻開關濾波器組，采用單刀八擲的開關芯片來選通2 700～3 050 MHz頻段的8個濾波器。曹良足等[6]研制了L波段選頻器，通過2位晶體管-晶體管邏輯(TTL)信號選通4路介質濾波器，開關控制由PIN管和譯碼器構成，但濾波器間的隔離度較低。S. Bendikt等[7]采用MEMS開關改變微帶諧振器的電長度的方法，設計了一種可選頻(537～728 MHz)濾波器，插入損耗為2.5～5.5 dB。H. Inoue等[8]采用MEMS開關調節諧振器電長度的方法，設計選頻范圍為1.4～2.7 GHz，插入損耗小于3 dB的可選通濾波器。上述開關濾波器組所用的開關有PIN管、開關芯片和MEMS開關3種。由PIN管設計的多路開關濾波器，其偏置電路較復雜，濾波器間的隔離度較低；MEMS開關構成開關濾波器的插入損耗較低，但MEMS開關的驅動電壓較高，開關芯片是設計開關濾波器的理想開關。由此可看出，選頻范圍都較窄，上、下限頻率之比未超過2。本文設計的可選通濾波器組的頻率范圍為500～2 000 MHz，上、下限頻率之比高達4。為了使設計簡單，采用兩片開關集成芯片作為單刀四擲開關，選擇梳狀線結構設計4個濾波器。

1 微帶線濾波器的設計

1.1 諧振器的諧波特性

本文需設計4個不同中心頻率(0.5 GHz、1.0 GHz、1.5 GHz 和2.0 GHz)的帶通濾波器，相對帶寬為20%，級數為2，插入損耗小于1 dB。由于4個濾波器的中心頻率間存在倍數關系，因此，設計時必須考慮濾波器的諧波頻率。

對于λ/2(λ為波長)諧振器，其諧波頻率為基波頻率(f0)的整數倍，即2f0，3f0，…；對于λ/4諧振器，其諧波頻率為f0的奇數倍，即3f0，5f0，…。由此可知，0.5 GHz和1.0 GHz濾波器不能用λ/2的諧振器來實現，因為其諧波頻率為另外2個濾波器的中心頻率。因此，選擇λ/4的微帶線來實現這4個濾波器，但0.5 GHz濾波器的第一個諧波頻率為1.5 GHz。本文選擇終端加載電容的辦法使濾波器的諧波頻率遠離其他濾波器的中心頻率，同時也使濾波器小型化，等效原理圖如圖1所示。 圖中，Z0、θ和CL分別為諧振器的特性阻抗、電長度及加載電容。

圖1 加載電容的微帶諧振器

加載電容諧振器的諧振條件為

(1)

取Z0=70 Ω，f0=0.5 GHz，由式(1)可知，CL隨θ變化，諧波頻率(fs)也隨θ而變。圖2為仿真波形。圖中S21為插入損耗。由圖可看出，θ越小，fs越高, 當θ=45°時，fs=2.14 GHz，靠近第4個濾波器的通帶(1.8～2.2 GHz)。因此,要想諧波頻率遠離其他濾波器的中心頻率，則需0.5 GHz濾波器的電長度θ<45°。

圖2 諧波頻率隨電長度變化

1.2 梳狀微帶線帶通濾波器設計

選取0.5 dB的切比雪夫低通原型進行兩級帶通濾波器的設計，低通原型歸一化元件參數[9]為g0=1.000 0，g1= 1.402 9，g2= 0.707 1和g3= 1.984 1，濾波器的耦合系數k12和外部品質因數Qe值[9]分別為

(2)

(3)

式中BW為帶通濾波器的通帶帶寬。

以中心頻率f0=0.5 GHz的微帶線濾波器的設計為例。由式(2)、(3)可得k12=0.2，Qe=7.01。設置介質基板厚為0.787 mm，相對介電常數為2.65，相對磁導率為1.0。

圖3為兩級梳狀線帶通濾波器的等效原理圖。圖中，C1和C2為加載電容，容量用Cv表示，CLin1和CLin2為耦合微帶線，其總長度為l0，間距為s12，Tee1與TL1，Tee2與TL2構成抽頭式輸入/輸出結構，其位置用t表示，即耦合線CLin1的長度，fC3為按3 dB帶寬來計算濾波器的中心頻率。采用ADS軟件進行仿真[10]，將上述變量加入VAR中，并用ADS自帶的調諧和優化功能調節和優化各個變量，以得到最優的頻響曲線，如圖4(a)所示。由圖可知，濾波器的中心頻率f0=0.5 GHz，3 dB帶寬BW3 dB=109.7 MHz,濾波器在2 GHz (光標m1) 附近的衰減大于20 dB,達到了設計要求。按這個方法可得到其他3個濾波器的最優參數值，濾波器的波形如圖4(b)～(d)所示。圖中，S1,1為反射系數的幅值，S2,1為傳輸系數的幅值。由圖可知，各濾波器的性能達到了設計要求。

圖3 兩級梳狀線帶通濾波器的原理圖

圖4 濾波器的頻率響應曲線

2 數控濾波器組設計

2.1 微波開關的選擇

本文選用ADI公司生產的開關芯片，其中HMC244AG16是單刀四擲開關芯片(SP4T)，但該產品價格高(1 376元/片)，而單刀六擲開關芯片(SP6T)HMC252AQS24E的價格較適宜(126元/片)，該微波開關插入損耗較低(小于0.9 dB (DC～2.0 GHz))，隔離度高(大于35 dB (DC～2.0 GHz)),非反射設計，集成式3∶6 TTL解碼器，單正電源，Vdd=+5 V或+3.3 V。

本文應選用四通道的微波開關，但考慮做實物的成本問題，且四通道和六通道各項參數都相同，因此選取價格適中的六通道開關芯片HMC252AQS24E，其真值表如表1所示。

表1 HMC252AQS24E真值表

選擇2個HMC252AQS24E微波開關控制濾波器組的輸入、輸出端口，實現濾波器組各通道的選通，考慮到線路板上布線不能交叉，兩開關芯片的位置反向排列，這樣導致同一濾波器的輸入、輸出端與兩芯片的連接端不同，按照該芯片的引腳分布圖[11]布線，輸入端芯片的RF1、RF2、RF3、RF4分別與輸出端芯片的RF6、RF5、RF4、RF3相對應(見表1)。

由表1可知，輸入、輸出開關的A、C兩個控制端口的電平互反。因此，只需以輸入開關為標準，在輸出開關的A、C兩個端口分別加上一個邏輯非門。

2.2 開關的等效電路

由于ADS元件庫中沒有HMC252模型，本文根據HMC2522AQS24E的插入損耗和隔離度，將每路開關等效為集總元件，導通時等效為電阻(R)，關斷時等效為電容(C)。圖5為開關的特性曲線。圖5(a)是開關導通時，插入損耗與等效電阻的關系曲線，圖5(b)是開關關斷時，隔離度與等效電容的關系曲線。由圖可知，導通時，取R=10 Ω，插入損耗小于0.9 dB;關斷時，取C=0.01 pF,隔離度大于35 dB(DC～2.0 GHz)。

圖5 開關的特性

2.3 仿真和結果分析

將開關的等效電路和4個濾波器連在一起組成開關濾波器組，并用ADS進行仿真，仿真電路圖如圖6所示。圖中，4個兩端口元件是基于4個濾波器的S參數文件(*.s2p)，這樣可使原理圖清晰，輸入、輸出端口的電阻和電容是開關(K1～ K4)的等效電路，開關導通時，等效為電阻；開關關斷時，等效為電容。圖中K1導通，K2～ K4關閉，即中心頻率為0.5 GHz時處于選通狀態。

圖6 可選通微帶線濾波器的仿真電路圖

當開關K1導通, 開關K2～K4均斷開時，對應開關芯片的數字信號ABC=000,中心頻率為0.5 GHz的帶通濾波器導通。當開關K2導通, 開關K1、K3和K4斷開時，對應開關芯片的數字信號ABC=100,f0=1.0 GHz的帶通濾波器導通。當開關K3導通, 開關K1、K2和K4斷開時，對應開關芯片的數字信號ABC=010,中心頻率為1.5 GHz的帶通濾波器導通。當開關K4導通, 開關K1～K3均斷開時，對應開關芯片的數字信號ABC=110, 中心頻率為2.0 GHz的帶通濾波器導通。

圖7 數控可選通帶通濾波器仿真波形

圖7為開關濾波器的仿真波形。第1 路濾波器的中心頻率為498.9 MHz，3 dB帶寬為104.4 MHz，插入損耗為1.84 dB。第2 路濾波器的中心頻率為998.5 MHz，3 dB帶寬為198.2 MHz，插入損耗為1.83 dB。第3路濾波器的中心頻率為1.492 GHz，3 dB帶寬為294.8 MHz，插入損耗為1.78 dB。第4 路濾波器的中心頻率為1.991 GHz，3dB帶寬為393 MHz,插入損耗為1.77 dB。

由圖7可看出，通過數字信號控制開關的導通，可選通濾波器組的某一個濾波器，與單個濾波器相比，開關濾波器的3 dB帶寬減小，插入損耗增大約1.7 dB，濾波器插入損耗增大由濾波器兩邊的開關引起。由圖7還可看出，0.5 GHz濾波器在1～4 GHz內未出現諧波，滿足本文設計要求。

圖8為采用Altium Designer畫出電路板圖。電路板尺寸為65.9 mm×58.2 mm，背面敷銅接地。

圖8 PCB板圖

用電烙鐵將開關芯片、集總元件、邏輯非門芯片和SMA接頭焊接在電路板上，采用矢量網絡分析儀E5071進行測試。實物照片如圖9所示。

圖9 實物照片

測量結果表明，測量的數據與理論上的相差很大，經過檢測發現，帶電焊接產生靜電和高溫，從而導致HMC252芯片被擊穿。經過咨詢得知應使用載流焊工藝焊接開關芯片。由于本單位無載流焊設備，所以未得到滿意的實測數據。

3 結論

數控可選通濾波器組由2片開關芯片和4個梳狀線濾波器構成。

1) 電容加載的λ/4諧振器不僅使濾波器小型化，且使諧波頻率大于8倍基波頻率，從而實現寬頻帶濾波器組的各路濾波器選通。

2) 根據開關芯片的特性可通過ADS仿真得到開關的等效電路。

3) 梳狀線濾波器的輸入、輸出端加上開關芯片后，各個濾波器除通帶插入損耗增大約1.7 dB外，其他性能參數基本保持不變。

4) 濾波器的裝配過程中應避免帶電焊裝半導體集成開關芯片，否則導致芯片擊穿。