一種大功率窄帶電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)

魏 強(qiáng) ,王 彬,唐京洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

1 引 言

電調(diào)濾波器在電子對抗、雷達(dá)、通信等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,要求其頻率選擇性高、損耗低,并需承載一定功率,是提高系統(tǒng)抗同址干擾的重要技術(shù)手段,也是現(xiàn)代微波系統(tǒng)的重要部件[1]。

電調(diào)濾波器主要有基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的電調(diào)濾波器[2]、基于集總參數(shù)元件的電調(diào)濾波器[3]和基于MEMS技術(shù)的電調(diào)濾波器[4]3種實(shí)現(xiàn)方式,它們各有特點(diǎn):機(jī)械電調(diào)耐受功率大,集總參數(shù)電調(diào)調(diào)頻速度快,MEMS電調(diào)體積小,其基本原理都是通過變化諧振電抗來調(diào)頻。但窄帶大功率電調(diào)濾波器鮮見報(bào)道。

綜合文獻(xiàn)分析,電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)存在兩個難點(diǎn):一是失諧問題[2],如何解決濾波器在調(diào)諧過程中幅頻響應(yīng)形狀和相對帶寬隨中心頻率的變化而發(fā)生顯著變化的問題;二是控制精度問題[5],電調(diào)濾波器是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,如何解決溫度漂移、振動沖擊等多種因素造成的濾波器目標(biāo)中心頻率與實(shí)際中心頻率的誤差問題。

本文介紹了采用同軸腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窄帶電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)方法,分析了耦合補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軟硬件設(shè)計(jì),并在此基礎(chǔ)上完成了電調(diào)濾波器的研制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其滿足工程需求。

2 電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)

2.1 指標(biāo)需求分析

某機(jī)動式指揮方艙組網(wǎng)系統(tǒng)中,要求濾波器技術(shù)指標(biāo)如下:頻率范圍為116～152 MHz(VHF)、225～400 MHz(UHF);帶寬大于等于 f0×0.25%MHz;插入損耗不大于2.5 dB;矩形系數(shù)(30 dB/3 dB)小于等于 2;承受功率不小于100 W;調(diào)頻最小步進(jìn)25 kHz;調(diào)頻時(shí)間不大于20 s。

由此可見,調(diào)諧精度高、窄帶、低損耗和大功率是本濾波器的技術(shù)難點(diǎn)。

圖1 調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tunable filter

采用網(wǎng)絡(luò)綜合法,經(jīng)計(jì)算選用四階切比雪夫?yàn)V波器實(shí)現(xiàn),低通原型參數(shù)為:g0=0.712 8,g1=1.200 3,g2=1.321 2,g3=0.647 6,g4=1.100 7。將低通原型網(wǎng)絡(luò)用K變換器變換,可得濾波器的集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 腔間耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電調(diào)濾波器腔間耦合常采用圓孔、矩形孔等結(jié)構(gòu),可通過HFSS、CST等電磁仿真軟件精確計(jì)算求取。耦合孔尺寸的確定是確保濾波器在調(diào)諧過程中幅頻響應(yīng)和絕對帶寬保持恒定的保證。

耦合結(jié)構(gòu)的耦合帶寬Δf和頻率、耦合系數(shù)的關(guān)系為

文獻(xiàn)[2]已證明,對于圓形耦合孔,耦合電抗

對于矩形耦合孔,耦合電抗

式中,M和p分別是孔的磁極化率和電極化率,kij為濾波器綜合中給出的耦合系數(shù),Xi為諧振腔的電抗斜率,gi、gj是濾波器的歸一化低通原型值,Z0是同軸腔的特性阻抗,r0為同軸腔耦合孔半徑,a為矩形孔的邊長,L為孔中心到同軸腔短路端的距離,c為光速,f0為中心頻率。在Cohn的實(shí)驗(yàn)表格中可以查到相應(yīng)尺寸的M值。

而L尺寸的確定是確保性能的關(guān)鍵。在同軸腔短路端,不同諧振頻率f所對應(yīng)的磁場強(qiáng)度H有如下關(guān)系:

其中,H1對應(yīng)f1,H2對應(yīng)f2。四分之一波長同軸諧振腔內(nèi)短路端的磁場強(qiáng)度最大,沿開路方向逐漸減小。高頻端磁場強(qiáng)度的變化速率大于低頻端。L要選定在高頻和低頻磁場強(qiáng)度相等的位置,可采用仿真軟件參數(shù)掃描的方法確定其值。

文獻(xiàn)[6]報(bào)道了采用三角環(huán)加矩形孔的耦合結(jié)構(gòu),但工程調(diào)試復(fù)雜,因此我們設(shè)計(jì)了圓形和矩形兩種耦合孔方案。測試結(jié)果如表 1所示,在118～400MHz的頻率范圍內(nèi),兩種耦合結(jié)構(gòu)3 dB帶寬基本保持一致,而圓孔高低端的30 dB帶寬變化比為1.33,矩形孔高低端30 dB帶寬變化比為1。

表1 圓孔和矩形耦合孔對比測試結(jié)果Table 1 Test result of round hole and rectangle hole

文獻(xiàn)[2]給出圓孔耦合調(diào)諧范圍小的結(jié)論。工程實(shí)驗(yàn)表明,通過合理設(shè)計(jì),圓孔和矩形孔均能實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)諧,但采用矩形孔能取得更好的頻率帶寬特性。

2.3 耦合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)難點(diǎn)是要解決濾波器失諧問題。由于加工精度以及腔間互耦的影響,濾波器各諧振腔分別工作在不同的諧振點(diǎn)上,調(diào)節(jié)一個腔體的諧振頻率會帶來相應(yīng)耦合系數(shù)以及相鄰腔間的諧振頻率的變化。隨著調(diào)諧的繼續(xù),不同腔諧振頻率差異不斷變化,偏離達(dá)到某一程度后,這種腔間諧振頻率的差異就會破壞濾波器的幅頻響應(yīng)。

工程實(shí)現(xiàn)中解決濾波器失諧可在輸入、輸出腔中引入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。電調(diào)濾波器的調(diào)試主要調(diào)整輸入輸出耦合環(huán)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩個元件。調(diào)輸入輸出耦合環(huán)形狀可實(shí)現(xiàn)外端口和濾波器阻抗匹配,同時(shí)改變環(huán)面積以改變耦合量。調(diào)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)則是通過改變膜片形狀,以實(shí)現(xiàn)在各頻率點(diǎn)上對腔內(nèi)電抗變化的補(bǔ)償,從而在整個調(diào)諧過程中濾波器的響應(yīng)形狀和相對帶寬保持不變。

3 運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

通過理論仿真分析,得到短路活塞行程和頻率關(guān)系為2MHz/1 mm,如圖2所示,即短路活塞移動1 mm,頻率變化2 MHz,而且在調(diào)諧范圍內(nèi),兩者近似線性關(guān)系。要滿足25 kHz的調(diào)諧精度,要求活塞移動行程12.5 μ m,除了對運(yùn)動部件的加工精度有較高要求外,還需合理設(shè)計(jì)運(yùn)動機(jī)構(gòu)才能滿足要求。

圖2 短路活塞行程和頻率對應(yīng)關(guān)系仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of short rod vs.frequency

我們設(shè)計(jì)了如圖3所示的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。由步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿螺母副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動,帶動短路活塞在腔體內(nèi)上下運(yùn)動,調(diào)整內(nèi)導(dǎo)體在濾波腔體中的長度,達(dá)到調(diào)諧濾波的目的。步進(jìn)電機(jī)、檢測單元和控制單元組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

圖3 運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of moving component

零點(diǎn)位置檢測單元電路由3個光電開關(guān)組成。LOW和HIGH分別為限制調(diào)諧頻率的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)。當(dāng)LOW或HIGH指示燈亮?xí)r,立即給控制單元一個中斷信號,以防電機(jī)轉(zhuǎn)動越界,導(dǎo)致驅(qū)動器損壞。HOME是濾波器調(diào)諧的基準(zhǔn)起始點(diǎn),為了精確定位,消除累計(jì)誤差和結(jié)構(gòu)應(yīng)力回差,濾波器設(shè)置了運(yùn)動零點(diǎn),當(dāng)通信機(jī)工作頻率變化時(shí),步進(jìn)電機(jī)先回基準(zhǔn)零點(diǎn),然后調(diào)諧到相應(yīng)的位置。

濾波器執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動零點(diǎn)的確定采用了初零、細(xì)零和步進(jìn)電機(jī)機(jī)械零點(diǎn)三級控制方法,實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動零點(diǎn)的唯一性,提高了頻率調(diào)諧的準(zhǔn)確度。

濾波器腔體和運(yùn)動機(jī)構(gòu)為機(jī)械結(jié)構(gòu)件,性能的調(diào)整只能依靠存儲的數(shù)據(jù),而溫度等環(huán)境應(yīng)力變化會惡化濾波器性能。因此,在運(yùn)動控制系統(tǒng)中增加了補(bǔ)償機(jī)構(gòu),使環(huán)境應(yīng)力變化引起的頻漂得到抑制,提高了系統(tǒng)的精度,也增加了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 運(yùn)動機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)

對一個優(yōu)秀的運(yùn)動控制系統(tǒng),軟件和硬件的設(shè)計(jì)都很重要,任何一個方面有缺陷,都不能保證控制精度。濾波器控制軟件程序框圖如圖4所示。根據(jù)硬件構(gòu)成,初始、故障復(fù)位、運(yùn)動、補(bǔ)償4個子函數(shù)構(gòu)成了控制主程序。

圖4 濾波器控制軟件流程框圖Fig.4 Flow chart of control software

軟件做了如下考慮以確保系統(tǒng)精確、可靠:

(1)為保證濾波器調(diào)諧精度,同時(shí)減小調(diào)試工作量,每1 MHz間隔給出一個距基準(zhǔn)零點(diǎn)的步數(shù);在滿足線性關(guān)系的情況下,非整數(shù)點(diǎn)頻率可通過圖2給出的曲線建立函數(shù)關(guān)系,查找計(jì)算求出;

(2)為保證精確點(diǎn)位控制,系統(tǒng)采用變速啟動,電機(jī)啟動時(shí)速度最低,逐漸加速保持恒定,當(dāng)接近點(diǎn)位時(shí)又降為最低,最后鎖定;

(3)為防止因硬件檢測出現(xiàn)故障時(shí)電機(jī)失控,設(shè)置電機(jī)單次運(yùn)行最大步數(shù),一旦超界,電機(jī)將自動停下;

(4)若上位機(jī)發(fā)送超界或錯誤頻率信息,濾波器則工作于基準(zhǔn)頻率點(diǎn)上。

3.3 調(diào)諧步數(shù)存儲

該電調(diào)濾波器將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪坊钊闹本€運(yùn)動,將頻率值映射為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)中心頻率的改變,但無法預(yù)知所需中心頻點(diǎn)對應(yīng)的電機(jī)步進(jìn)值是多少,因此,應(yīng)找到每個中心頻率有可能對應(yīng)的步進(jìn)值,并把這些值存儲在存儲器中以便調(diào)用。

調(diào)試時(shí)先設(shè)定一個步進(jìn)值由系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,控制網(wǎng)絡(luò)分析儀測試此時(shí)的中心頻率值,然后判斷該值與目標(biāo)中心頻率是否在允許的誤差范圍內(nèi),如果誤差越界,由系統(tǒng)增大或減小步進(jìn)電機(jī)值并再次測試中心頻率值,如此循環(huán)直至滿足要求,最后保存該步進(jìn)參數(shù)。

以后只需輸入目標(biāo)中心頻率值,程序會調(diào)用存儲器中對應(yīng)的電機(jī)步進(jìn)參數(shù),使電機(jī)旋轉(zhuǎn)該步進(jìn)值,從而把濾波器調(diào)至目標(biāo)中心頻率點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路,對電調(diào)濾波器進(jìn)行了實(shí)物加工,使用Agilent E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。在室溫25℃下實(shí)測結(jié)果如圖5所示,3組曲線分別對應(yīng)中心頻率為225 MHz、300 MHz、400MHz時(shí)的頻響和駐波特性。

圖5 濾波器頻響測試結(jié)果Fig.5 Test result of the filter

從結(jié)果可以看出,在整個調(diào)諧范圍內(nèi),預(yù)期中心頻率與實(shí)際中心頻率誤差小于0.05%。濾波器的響應(yīng)形狀和相對帶寬保持不變,在整個調(diào)諧過程中,3 dB帶寬小于等于 f0×(0.25%～0.27%),矩形系數(shù)(30 dB/3 dB)小于等于2,插損小于等于2 dB,駐波小于等于1.5。

文獻(xiàn)[7]中報(bào)道的電調(diào)濾波器類似產(chǎn)品,其指標(biāo)為:3 dB帶寬小于等于 f0×(1.03%～1.05%),矩形系數(shù)(30 dB/3 dB)小于等于2,插損小于等于1.7 dB。

本文設(shè)計(jì)的電調(diào)濾波器在保持矩形系數(shù)、插入損耗相當(dāng)?shù)那闆r下,其帶寬縮小了4倍,為整機(jī)提供了更好的電磁兼容性。

5 結(jié)束語

大功率窄帶電調(diào)濾波器涉及電磁場、軟件控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科背景,是一個復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng),具有非常廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合工程實(shí)際所需,本文研制的同軸腔電調(diào)濾波器具有高 Q值、高矩形系數(shù)、承受功率大的特點(diǎn),且有新穎性,未見類似公開報(bào)道,在系統(tǒng)應(yīng)用中性能穩(wěn)定,已批量生產(chǎn)。但步進(jìn)電機(jī)的使用,使其存在調(diào)諧速度慢的缺點(diǎn)(秒級),因此研制調(diào)諧速度更快的電調(diào)濾波器是今后的發(fā)展方向。

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