高性能跳頻濾波器設計

楊玲玲

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

現(xiàn)代通信對電臺抗干擾能力的要求越來越高,采取跳頻、擴頻技術克服通信干擾的手段也越來越多地得到了應用。一個跳頻通信系統(tǒng)通常包括幾個工作于不同頻段的T/R組件。為了有效利用不斷變化的電波傳播條件,同時也為了信息不被敵方截獲,避免敵臺施放干擾,理想情況下,各個T/R的中心頻率應能在任何時候任意改變,而不要求重新調(diào)整[1]。體積小、時間快、點數(shù)多和窄帶的跳頻濾波器可實現(xiàn)這樣的功能,完成信號的快速選擇并提供一定的通道隔離度。

針對跳頻通信系統(tǒng)中跳頻濾波器的高性能、小型化設計和收發(fā)共用這一研究目標,國內(nèi)外進行了廣泛的研究,總結起來主要有以下4個方面的工作:機械傳動跳頻濾波器、微功率跳頻濾波器、大功率頻選組件和基于MEMS技術的調(diào)諧濾波器,它們的原理基本相同,都是通過變化諧振電抗(等效電感或電容)來改變諧振頻率[2-4],各有特點,這里不再詳述。針對跳頻濾波器越來越高的要求,不僅要求用于接收信道,發(fā)射信道同樣需要,為此,本文提出了一種具有體積小、時間快、點數(shù)多、窄帶、功率高和低插損特點的高性能跳頻濾波器設計方法。

2 跳頻濾波器的組成和原理

跳頻濾波器由射頻部分和數(shù)控部分組成,其中射頻部分又由無源諧振腔和有源開關電容陣兩部分組成。我們知道,對于電容加載腔體濾波器,可以利用加載電容值的改變來進行濾波器中心頻率的調(diào)整。本文提出的跳頻濾波器就是基于這個基本原理,把加載電容排列成一個陣列,將陣列進行組合,組合出一定數(shù)量的加載電容值,通過開關切換這些不同的組合,加載到內(nèi)導體上,從而形成不同的中心頻率,實現(xiàn)跳頻濾波的功能。本文提出的跳頻濾波器分為腔體、開關電容陣和數(shù)字控制3個模塊,采取壘積木的方式將這3個模塊集成在一起。由數(shù)控模塊選擇開關電容陣是否接入諧振電路來選擇中心頻率。開關電容陣被數(shù)控模塊驅(qū)動控制,使電路接收數(shù)字調(diào)諧指令,將其變換為跳頻濾波器內(nèi)部的所需編碼并驅(qū)動開關,由開關來選擇電容陣組合是否接入同軸腔諧振電路。整個調(diào)諧過程的完成設定在微秒量級,外部調(diào)諧碼為標準8位并行二進制編碼,允許最多256個調(diào)諧點。

3 主要參數(shù)分析與實現(xiàn)

功率和插損是跳頻濾波器的兩個重要參數(shù)。下面就跳頻濾波器的腔體、開關和電容的功率和插損進行分析計算。

3.1 諧振腔

跳頻濾波器的腔體設計應能滿足功率容量、帶內(nèi)插損、帶外抑制和體積等指標。在體積一定時,采用內(nèi)圓外方的縮短同軸腔結構可以提高腔體的功率容量[5]。

根據(jù)文獻[6]的研究結論,當內(nèi)導體外徑與外導體內(nèi)徑之比即a/b=0.33時,作為內(nèi)圓外方諧振器的Qu值獲得最佳,這時衰減ατ最小,此時同軸線的特性阻抗 Z=71 Ψ。若b不變,改變 a,則在 b/a=1.65時,傳輸平均功率最大,此時同軸線的特性阻抗Z=34.6 Ψ。由此,我們知道同軸腔的插損和功率同腔體尺寸之間的關系,并不是插損最小時其傳輸平均功率最大,所以設計時可以根據(jù)具體技術要求來確定腔體尺寸。已知頻率、導體材料和腔體的邊長和內(nèi)徑并以a/b=0.33為比例時,可以根據(jù)文獻[6]中的公式求出同軸腔無載品質(zhì)因數(shù) Qu、平均功率 Pm,以及插損L的值。如果計算出平均功率能夠滿足指標要求,我們則以最大無載品質(zhì)因素所對應的腔體尺寸為設計尺寸;如果不滿足平均功率指標要求,可以適當調(diào)整 a/b的比例,由0.33朝0.606方向調(diào)整,在插損盡量小的情況下兼顧到平均功率的指標。

根據(jù)以上諧振腔的插損和功率參數(shù)的分析,總結出跳頻濾波器諧振腔結構尺寸參數(shù)選取的3個原則:第一,避免高次模,工作頻率(MHz)應該滿足f<7510/(a+b);第二,滿足功率容量,a/b=0.606時功率容量最大;第三滿足損耗要求,a/b=0.33時無載Q值最高,損耗最小。a/b一般選擇在0.33～0.5之間。

此外,考慮到內(nèi)導體縮短會降低腔體的Q值,且傳輸功率的瓶頸主要在PIN二極管上,所以選擇跳頻濾波器的尺寸以滿足衰減最小為基本原則,選取a/b=0.33。此時,同軸腔的特性阻抗約為71 Ψ,且工作頻率也遠遠小于截止頻率。根據(jù)同軸腔擊穿功率的公式可計算出其允許的平均傳輸功率為47.6 W,同時滿足功率要求。

3.2 開關

腔體確定后,下面對開關的插損和功率進行分析。跳頻濾波器擁有跳頻功能其最關鍵的技術是實現(xiàn)濾波器加載可變電容?？勺冸娙莸膶崿F(xiàn)是采用微波電子開關加集總電容陣列。PIN二極管作為微波信號控制開關不失為一種很好的選擇。PIN二級管是一種特殊的電荷存儲二極管,正向電壓下,導通電阻很小,近似短路;反向偏壓下,阻抗很高,近似開路,可以承受較高的擊穿電壓,即可處理較大功率;除此之外還具有開關速度快和插損小的特點,被廣泛應用在微波控制電路中。

當微波信號和直流偏置同時作用于PIN二極管時,PIN二極管的工作狀態(tài)主要取決于直流偏置狀態(tài)。這是因為PIN二極管所呈現(xiàn)的阻抗水平只取決于直流偏置,與微波信號沒有關系,因此,我們只用較小的直流功率來控制PIN二級管的工作狀態(tài),卻能得到控制較大功率的微波信號的結果。PIN二極管作為微波控制器件,特點是可控功率大、插入損耗小、隔離度高以及在大的正向偏置電流和大的反向偏置電壓下,可以得到近乎微波短路和開路的特性。

基于開關電容陣電路的可實現(xiàn)性,本文采用的是串聯(lián)型開關電路,根據(jù)文獻[7]的功率計算公式,可以求出PIN管的最大耗散功率和電源資用功率,其較小者為單管串聯(lián)型開關的功率容量。

文獻[7]是假定在理想情況下,用“電路”的概念,計算出了理論上功率容量的極限值。但是在PIN管控制電路的實際使用中特別是射頻大功率的使用中,還需要特別考慮工作環(huán)境、可靠性和電路在系統(tǒng)中的匹配狀況等因素。首先,開關不可能在電路中做到完全匹配,電壓駐波比為1.1～1.5都是通常容易出現(xiàn)的,尤其在開關電容陣中,開關直接與電容陣連接,當電容陣在某一個組合時,駐波到1.4甚至到1.5都是有可能的,具體實驗也證實了當頻率切換到個別頻點時,駐波比達到1.5。如果負載損壞,將直接產(chǎn)生全反射,例如需要導通的PIN二極管被損壞或失效時,駐波比將非常大,甚至為3以上都有可能。PIN二級管在行駐波狀態(tài)下,能承受的最大電壓值是入射波信號電壓的(1+Γ)倍(假定電路無耗),其中 Γ為反射系數(shù);在全反射狀態(tài)下,PIN管承受的最大電壓值是入射波信號電壓的2倍。由于功率與電壓的平方成正比,所以PIN二級管功率容量將為理想駐波環(huán)境下的(1+Γ)2倍到4倍,即PIN管的功率保險系數(shù)取0.2～0.3。

根據(jù)以上分析,可以理解開關是影響跳頻濾波器承受功率最關鍵的因素。本濾波器選用的PIN管最后計算的輸入功率為6.25 W。

3.3 射頻電容

在對加載電容陣中微波電子開關的參數(shù)進行分析后,現(xiàn)在對集總電容的參數(shù)也進行分析。等效串聯(lián)電阻(ESR)常常是射頻電容的最重要參數(shù)之一。ESR通常以毫歐為單位,是電容內(nèi)所有損耗的綜合指標,等于電容介質(zhì)損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)的和(ESR=Rsd+Rsm)。高頻設計時,主要考慮金屬損耗和Q值對插損和功率的影響。

Q值,又稱品質(zhì)因素(Quality Factor),是衡量電容插損的重要指標。Q值越高,射頻功率損耗越小。等效串聯(lián)電阻和品質(zhì)因素存在如下關系:

式中,xc為容抗,xl為感抗。由式可知,電容品質(zhì)因數(shù)的數(shù)值等于電容純電抗和電容等效串聯(lián)電阻的比值,與ESR成反比,和凈電抗成正比。設計濾波器時應了解整個頻帶內(nèi)的等效串聯(lián)電阻范圍,并掌握頻帶內(nèi)的插損,通常在電容產(chǎn)品手冊里可以查出ESR和插損。使用低損耗電容能把輸入頻帶插入損耗S21減到最小,讓濾波曲線更接近理想值。

電容的功率損耗反比于Q值,正比于 ESR,在射頻大功率電路中,電容功率耗散可由 P=I2ESR計算出來。低ESR的電容在電路中能減少發(fā)熱,使電路發(fā)熱問題得以控制。使用低ESR高Q無源器件能大大降低器件發(fā)熱所造成的損耗。低損耗電容用于高射頻功率設備中時,設備功率可以是電容額定功率的幾百倍,因此高Q低等效串聯(lián)電阻將對大功率射頻電路起至關重要的作用。

4 仿真與實測

由于要將開關的開和斷狀態(tài)全部模擬到仿真中,作者專門設計了PIN二極管導通和截止兩個狀態(tài)的封裝模型,驗證設計方案的可實現(xiàn)性。在ADS電路級仿真中模擬出了全頻段跳頻的跳頻濾波器性能,得到了預置頻率與對應電容組合的關系,為腔體加載開關電容陣的設計提供電容初始值。

圖1給出了覆蓋整個頻段選9個點的S21和S11曲線,仿真結果驗證了跳頻濾波器的方案能實現(xiàn)全頻段小步徑跳頻。從仿真曲線中可以看到,跳頻濾波器的駐波比在頻率的低端和高端較大,這是因為這里采用的集總參數(shù)代替腔體的方孔磁耦合,耦合電感的大小是以頻段的中間頻點來計算求得,所以頻段的高低端駐波比變得較差。而采用腔體方孔耦合時[8,9],這種惡化程度會有所降低,使窄帶同軸腔濾波器的調(diào)諧范圍比其它方式更寬達63%,從后面的實測曲線也可以驗證以上分析。

圖1 開關電容陣加載的跳頻濾波器特性曲線Fig.1 Characteristic curves of the switched capacitor loaded FH filter

跳頻濾波器的實物照片如圖2所示,其中2.1%帶寬的跳頻濾波器的常溫實測結果見表1和表2,可見達到了預期要求。

圖2 跳頻濾波器實物照片F(xiàn)ig.2 Picture of the FH filter

表1 實測帶內(nèi)最差值Table 1 The measured worst in-band value

表2 實測帶內(nèi)取三點結果Table 2 The measured result of choosing three frequency points from in-band

跳頻濾波器部分溫度試驗測試曲線如圖3和圖4所示。為提高跳頻濾波器的選擇性,研制出了多種帶寬的濾波器以供級聯(lián),下面有兩種帶寬的跳頻濾波器的高低溫特性曲線。從高低溫測試曲線可以看出,帶寬越小,濾波器受溫度的影響越大。溫度降低時,中心頻率升高,帶寬變窄。

圖3 較小帶寬跳頻濾波器實測曲線Fig.3 Measured curves of narrower bandwidth filter

圖4 較大帶寬跳頻濾波器實測曲線Fig.4 Measured result of larger bandwidth filter

以上是在小功率(0dBm)狀態(tài)下跳頻濾波器的性能測試結果。表3給出了功率試驗的測試數(shù)據(jù)。

表3 功率測試數(shù)據(jù)Table 3 Power test data

從實測結果看出,跳頻濾波器插損、帶寬、矩形系數(shù)、頻點數(shù)的仿真與實測結果吻合較好,達到了滿意的設計效果。

5 結束語

跳頻濾波器具有非常廣闊的應用前景,研制體積更小、性能更好的跳頻濾波器是一項非常有意義的課題。本文提出了利用有源開關電容陣加載無源同軸諧振腔的方法實現(xiàn)低插損、大功率的高性能跳頻濾波器,針對其關鍵指標對外方內(nèi)圓同軸腔體、PIN開關二極管和射頻電容的功率和插損因素進行了簡要分析,總結出了跳頻濾波器選用器件和實現(xiàn)方式的基本原則。通過建立開關電容陣的仿真模型,運用ADS和HFSS兩個仿真平臺得到了跳頻濾波器的仿真結果,為實物制作提供了非常有用的初值。實測數(shù)據(jù)和曲線表明本文提出的跳頻濾波器能夠滿足工程技術指標要求。

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