一種基于ADS的電調諧濾波器的新設計?

王燕君（中國西南電子技術研究所，成都610036）

一種基于ADS的電調諧濾波器的新設計?

王燕君
（中國西南電子技術研究所，成都610036）

設計了一種用于跳頻通信系統(tǒng)接收機射頻前端的UHF頻段電調諧濾波器。使用安捷倫公司的微波仿真軟件ADS對電調諧濾波器進行結構設計和參數(shù)優(yōu)化。對制成品的實際測試表明，該調諧濾波器工作頻段為225～400 MHz，3 dB帶寬6.5～15 MHz，通帶增益24～27 dB，矩形系數(shù)小于6.2，其性能指標完全達到設計要求，在不同的頻點都具有良好的電參數(shù)指標。所提方法對電調濾波器的設計具有指導作用。

跳頻通信；射頻前端；電調諧濾波器；結構設計；參數(shù)優(yōu)化

1 引言

隨著電子技術的飛速發(fā)展，各種軍用、民用電子設備同時使用，電磁信號密集多樣，工作頻率相對集中，空間電磁環(huán)境越來越復雜。跳頻技術由于其出色的保密和抗干擾能力不僅在軍事通信中大顯身手，較好地滿足了現(xiàn)代戰(zhàn)爭提出的電子對抗與反對抗的要求，而在民用通信中也展示了良好的應用前景。應用在跳頻通信系統(tǒng)中的電調諧濾波器是一種能快速跟蹤頻率變化的帶通濾波器，它使調諧頻率附近的信號順利通過，而遠離調諧頻率的信號受到較大幅度的衰減。這種調諧濾波器可有效地改善接收機的信噪比，并能有效地解決多部通信設備同時通信的干擾和電磁兼容問題。

本文運用ADS仿真軟件，結合可靠的設計理論設計出了一種用于跳頻通信系統(tǒng)接收機射頻前端的UHF頻段電調濾波器。該電調濾波器工作于225～400 MHz頻段范圍，電路要求其增益范圍為23～28 dB，3 dB帶寬范圍為6.5～15 MHz，矩形系數(shù)（30 dB／3 dB）小于7。

2 電路結構設計與實現(xiàn)

該電調諧濾波器采用參差調諧回路的設計方法，參差調諧回路不同于級聯(lián)的單調諧回路，級聯(lián)單調諧回路的諧振頻率是相同的，而參差調諧回路的各級單調諧頻率分別比整個調諧回路的中心頻率高或低Δfd，參差調諧回路兼有單調諧回路電路簡單、易調整和雙調諧回路頻帶寬、矩形系數(shù)好的優(yōu)點，同時克服了單調諧回路頻帶窄、選擇性差和雙調諧回路電路復雜、調整困難的缺點。

圖1是該電調諧濾波器的電路結構。

考慮到系統(tǒng)對接收機高線性及高靈敏度的要求，電路結構設計時把調諧回路和可變增益放大器有機地結合在一起，共同完成選頻放大功能，因此設計電調諧濾波器實際也相當于設計諧振放大器。

圖1中，兩級放大器位于接收機前端，尤其是第一級放大器，是整個接收機高線性和高靈敏度實現(xiàn)的關鍵所在。根據(jù)噪聲系數(shù)計算公式，在電調濾波器之前的插損確定的情況下，放大器N1的噪聲系數(shù)和增益基本確定了接收機的總噪聲系數(shù)。本設計采用型號為S888T的雙柵MOSFET場效應管作為低噪聲放大器，該放大器工作頻率為100～1 300 MHz，頻率為400 MHz時，增益17 dB，噪聲系數(shù)為1 dB，當改變第二柵工作電壓時，增益變化范圍40 dB。

基于接收機高選擇性的要求，本設計采用三級調諧回路級聯(lián)的電路結構，調諧回路采用變容二極管作為調諧元件，通過改變變容二極管的偏置電壓改變諧振回路的電容值，從而方便地調節(jié)濾波器的中心頻率。諧振回路中采用兩只變容二極管背靠背的連接形式可以消除變容二極管產(chǎn)生的基頻諧波，有效地減少交調失真產(chǎn)物。為提高諧振回路的有載品質因素，防止輸入輸出負載對諧振回路Q值的影響，諧振回路采用電感抽頭部分接入的方法使之與前后回路進行阻抗匹配。

這里，變容二極管成為電路的核心器件，下面對變容二極管略做介紹。變容二極管是一種利用半導體的PN結電容隨外加反偏電壓變化而變化的原理制成的半導體二極管。圖2給出了變容二極管的等效電路。圖中，Cj為結電容；Rs為變容二極管的等效串聯(lián)電阻（包括PN結電阻、接線電阻和引線電阻），該電阻越大，變容二極管產(chǎn)生的損耗也越大；Ls為引線電感；R為反向電阻。在較高頻率時，反向電阻R可忽略不計，等效電路簡化為圖（b）。在頻率不高的情況下，串聯(lián)引線電感Ls也可以忽略，電路進一步簡化為圖（c）。本設計中采用的變容二極管是飛利浦公司的BB178，其變容值與偏置電壓的關系如圖3所示。

由圖3可知，變容二極管的最大電容值和最小電容值分別為46pF、2.7pF。濾波器頻率可調范圍最大為

由公式（3）可知，變容二極管BB178滿足設計要求。

從圖3中可看到，變容二極管的電容值隨著直流偏置電壓的增大而減小，由于諧振頻率

因此諧振頻率隨直流偏置電壓的增大而增大。

為保證接收機的高選擇性，選擇電感時應選擇Q值較高的，但是一般色環(huán)電感和貼片電感的Q值都較低，故本設計中采用漆包線繞制的線圈電感作為諧振電感。另外，通過調整線圈的疏密可方便調整LC回路的各項指標。

3 ADS仿真和實測結果的分析

在理論分析的基礎上，借助安捷倫公司的仿真軟件ADS對圖1所示的電路結構進行仿真，以提高設計效率和成功幾率，降低調試時間。仿真前需要建立仿真模型和設計各種參數(shù)。首先把電感和電容的元件值代入相應的模型里，然后建立放大器和變容二極管模型，接著把雙柵MOSFET放大器S888T

和變容二極管BB419的S2P文件導入各自的模型里。圖4（a）、（b）分別為中心頻率225 MHz、400 MHz的S21仿真結果。

最后利用安捷倫公司的E5061A矢量網(wǎng)絡分析儀對電調諧濾波器S參數(shù)進行測試，圖5（a）、（b）分別為中心頻率225 MHz、400 MHz的測試結果。

從圖4和圖5可看出，隨著中心頻率的升高，濾波器帶內增益稍有增大，但矩形系數(shù)將變差。這主要是因為隨著直流偏置電壓的升高，變容二極管的結電容值Cj和串聯(lián)寄生電阻Rs都將減小，電阻Rs的減小使濾波器增益有所增大。另外，由于電容減小的幅度大于寄生電阻減小的幅度，電路的平均儲能與平均耗能的比值將下降，即電路的Q值降低，導致濾波器矩形系數(shù)變差。

電調諧濾波器仿真及實測結果如表1所示。

由表1可看出，實測結果與仿真結果基本吻合，該設計較好地完成了電調諧濾波器的各項性能指標。但是由于實際電路中空心線圈寄生電阻的影響，以及測試電纜及轉接頭等因素的影響，導致實測結果的增益略低于仿真結果。另外，由于實際電路中變容二極管Q值較低，導致實測結果中矩形系數(shù)及帶外衰減特性略差于仿真結果。因此，為使電調濾波器獲得較好的性能指標，設計中應選擇Q值較高、寄生電阻較小的空心線圈和變容二極管。

4 結束語

本文設計的電調諧濾波器具有體積小、功耗低、選擇性好、不同的頻點電參數(shù)一致性好等特點，同時較好地解決了插損和帶寬之間的矛盾。目前，隨著干擾和抗干擾技術的發(fā)展，跳頻技術越來越受到人們的重視，除了軍事領域的應用，跳頻技術也向民用通信領域發(fā)展?，F(xiàn)代新興的通信方式要求采用能節(jié)約頻帶的技術，從而解決頻帶擁擠的問題。而跳頻通信固有的窄帶通信方式，可以和民用通信兼容，是提高頻帶利用率的有效途徑。因此，跳頻電調諧濾波器有著廣闊的應用前景。隨著跳頻通信設備向寬頻帶、高速率、數(shù)字化、低功耗的方向發(fā)展，跳頻濾波器已顯示出很好的發(fā)展前景。

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A New Design of Electrically Tunable Filter Based on ADS

WANG Yan-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

An ultra high frequency（UHF）band electrically tunable filter is designed for frequency-hopping（FH）communication system RF front-end.The electrically tunable filter′s structure is designed and its parameters are optimized by Agilent′s ADS software.The testofthe productindicates thatits operation band is 225～400 MHz，3 dB band is 6.5～15 MHz，pass band gain is 24～27 dB，rectangle coefficient is less than 6.2.The electrically tunable filter meets the design requirements and it achieves excellent electrical characteristics for each frequency point.The proposed method is of guidance for the design of electrically tunable filters.

frequency hopping communication；RF front-end；electrically tunable filter；structure design；parameter optimization

the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.She is now an engineer. Her research concers radio frequency communication.

1001-893X（2012）03-0367-04

2012-01-04；

2012-03-14

TN713

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.023

王燕君（1974—），女，山西祁縣人，2009年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事射頻通信的研究。

Email：wyj-cx＠sohu.com

WANG Yan-jun was born in Qixian，Shanxi Province，in 1974.She