高集成超寬帶開關濾波組件設計

李新霞

(中國電子科技集團公司第13研究所 項目辦，河北 石家莊 050051)

高集成超寬帶開關濾波組件設計

李新霞

(中國電子科技集團公司第13研究所 項目辦，河北 石家莊 050051)

摘要針對超寬帶系統(tǒng)諧雜波抑制難、動態(tài)范圍、靈敏度易惡化，提出了在變頻前端采用高集成、超寬帶開關濾波組件分段濾波，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，動態(tài)范圍、選頻、抗干擾等關鍵指標。設計了開關加濾波器組的方案，對8～18 GHz信號分為10段分別濾波的方式，并對濾波器和開關進行了設計仿真，實現(xiàn)了小型化、高可靠、電路控制速度快的高集成、超寬帶開關濾波組件。實驗結果表明，該電路噪聲系數(shù)達14 dB，增益12 dB，相位一致性≤±10°，通道隔離度≥45 dB，試驗結果達到預期目標。

關鍵詞超寬帶開關；濾波器；隔離度；帶外抑制

隨著無線通信中寬帶通信技術的發(fā)展，超寬帶開關濾波網絡廣泛用于頻率合成器、發(fā)射機、接收機，要求選頻信號頻譜低雜散、快速跟蹤頻率變化、超寬帶等性能。高集成、超寬帶開關濾波組件具有高的帶外抑制、高的隔離度，有效地提高了選頻信號的頻譜純度[1]；開關切換時間在ns級，開關時間快，能快速跟蹤頻率變化；開關濾波器組由多路開關濾波器組成，通過開關組切換到所需的波段，能夠滿足寬帶通信的要求。高集成、超寬帶開關濾波組件設計的合理與否，對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)以及動態(tài)范圍，線性度等其它關鍵系統(tǒng)指標的質量都會有所影響，會導致所處理信號質量惡化[2]。隨著無線通信技術的發(fā)展，通信終端的小型化也在飛速發(fā)展。高集成、超寬帶開關濾波組件電路主要朝著高集成、小型化、低成本、高頻段、高可靠的方向發(fā)展。

1工作原理

1.1PIN開關

PIN二極管是開關濾器中開關電路通常采用的器件，開關響應時間由PIN二極管的響應時間決定，二極管的響應時間由載流子壽命、正向導通電流、反向電流等參數(shù)決定[3-5]。

PIN二極管組成的開關電路的基本結構為串聯(lián)式、并聯(lián)式兩種。串聯(lián)結構開關的插入損耗和承受功率主要取決于二極管正向偏置狀態(tài)下的串聯(lián)電阻(RS)，隔離度主要取決于PIN二極管的反向電容(CT)[6]。串聯(lián)結構能提供較小的插入損耗，但在多個PIN管串聯(lián)的情況下，由于二極管的兩極均串聯(lián)在傳輸線上，第一級二極管承受的功率最大，在大功率下可能燒毀。并聯(lián)結構開關能夠提供較高的隔離度和較小的插入損耗。二極管一端接傳輸線, 另一端接地, 并聯(lián)結構相比于串聯(lián)結構具有更強的功率承受能力。隔離度和承受功率主要取決于等效串聯(lián)電阻RS，插入損耗主要取決于等效電容CT[7-8]。多個PIN管并聯(lián)的插入損耗、承受功率及隔離度明顯優(yōu)于串聯(lián)的性能[9-10]。但PIN開關并聯(lián)結構排列間距為λ/4，應用頻帶比較窄，一般為f/10 ，而文中所設計的開關濾波器組為8～18 GHz，因此采用多級PIN二極管串聯(lián)開關。

1.2開關濾波組件

高集成、超寬帶開關濾波組件由兩路開關濾波器組組成，分別為主路和輔路，兩路通道的電路組成完全相同，且結構對稱。高集成、超寬帶開關濾波組件主路(輔路)通道由高通濾波器、輸入單刀四擲開關、陶瓷濾波器組、低通濾波器、限幅器、放大器、開關驅動控制電路構成，工作原理如圖1所示。

圖1　高集成超寬帶開關濾波組件主路(輔路)原理框圖

高集成、超寬帶開關濾波組件的頻率范圍為8～18 GHz，通過10路開關陶瓷濾波器來實現(xiàn)。例如當選頻信號頻率為8～9 GHz時，控制電路驅動第1路輸入開關、第1路輸出開關設置為導通，其它的輸入、輸出開關設置為截止，第1路開關及濾波器處于工作狀態(tài)。其它路的濾波器由于相應的輸入、輸出開關截止而處于關斷狀態(tài)。

2電路優(yōu)化設計

2.1濾波器的設計與分析

由高集成、超寬帶開關濾波組件的功能可知，濾波器的設計是產品最重要的設計環(huán)節(jié)。由圖2原理框圖可知，高集成、超寬帶開關濾波組件中單個通道單元包含13個濾波器：10個帶通濾波器、1個高通濾波器和2個低通濾波器。濾波器的設計直接決定了開關濾波單元產品所能實現(xiàn)的指標[11-12]。

為滿足高集成、超寬帶開關濾波組件的結構尺寸要求，濾波器全部采用了陶瓷片濾波器，依據技術指標要求，對13種濾波器分別進行了設計。濾波器分段情況及指標要求如表1所示，帶通濾波器仿真拓撲結構如圖2所示。

表1　陶瓷濾波器技術要求

圖2　濾波器仿真拓撲圖

對13種濾波器分別進行了優(yōu)化仿真，其中16.9～18 GHz帶通濾波器仿真結果如圖3所示。

圖3　16.9～18 GHz帶通濾波器仿真結果

2.2開關的設計與分析

開關電路是高集成、超寬帶開關濾波組件的另一主要電路組成部分，開關電路首先需實現(xiàn)規(guī)定的控制邏輯功能，在此前提下應減小開關電路的損耗，使高集成、超寬帶開關濾波組件得到最優(yōu)的電性能參數(shù)[13-14]。

開關電路的實現(xiàn)可選用多種開關電路形式，級聯(lián)開關的數(shù)量直接決定了開關電路的損耗[15-16]。

通過綜合考慮開關損耗及開關電路形式，經過對電路的設計分析與比較計算，最終設計了最優(yōu)化的電路形式：六級單刀四擲開關級聯(lián)。此電路在保證功能實現(xiàn)的前提下，最大程度地簡化了電路，電路形式如圖1所示，開關仿真拓撲結構如圖4，開關仿真結果如圖5所示。

圖4　單刀四擲開關仿真拓撲圖

圖5　開關插損和駐波仿真曲線

開關電路的控制電路也是開關電路的一部分，開關的控制電路選用中國電子科技集團公司第13研究所生產的開關驅動器NC2047F和NC2048F，與開關電路能夠良好的匹配。

2.3限幅放大電路的設計與分析

限幅器選用了中國電科13所研制生產的限幅器單片。該器件損耗小、約在0.5 dB，抗燒毀功率大、連續(xù)波4 W以上，完全滿足技術協(xié)議的耐功率指標要求。為保證高集成、超寬帶開關濾波組件的增益及噪聲指標，放大器的指標也尤為重要，圖6是放大器的增益和噪聲指標的曲線。通過對限幅器和放大器的選取和電路設計，開關濾波單元的增益、噪聲及抗燒毀功率指標全部滿足技術協(xié)議的指標要求。

圖6　放大器的增益及噪聲參數(shù)曲線

3試驗結果與分析

表2　高集成、超寬帶開關濾波器組測試結果

如表2所示，測試結果符合設計指標要求，但噪聲系數(shù)、相位一致性指標并不理想。噪聲系數(shù)在輸入端加放大器會影響輸入動態(tài)，因此只有通過改進輸入端濾波器及開關損耗，改進方法：在不影響濾波器帶內波動及帶外抑制指標的前提下，對濾波器損耗進行優(yōu)化仿真，研制低損耗、高抑制濾波器。相位一致性指標主要由電路中兩路元器件的相位一致性決定，貨架型原器件相位一致性較好，決定相位一致性的關鍵器件為電路中的定制件，改進方法：提高對定制件如高通、帶通、低通濾波器及開關電路的相位一致性要求。

4結束語

高集成、超寬帶開關濾波組件采用開關響應時間快的PIN二極管、小型化的MEMS濾波器，通過合理的分配濾波器指標及腔體布局，設計出隔離度高、帶外抑制高、頻帶寬的高集成、超寬帶開關濾波組件。實測值基本吻合設計方案、并驗證了裝配工藝的可行性。在研制過程中，通過增加各路間的屏蔽措施，解決了通道隔離高的難題。開關電路的頻率范圍較大，合理改變?yōu)V波器的頻率和路數(shù)，便可形成系列化開關濾波器組產品。

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Design of a High Integration Ultra-wideband Switch Filter Component

LI Xinxia

(Project Office，The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

AbstractThe designed component plays a decisive role in the whole system, including sensitive, dynamic range, frequency selection, Anti-jamming and other key indexs. The importance, constituent, working principle, design difficulties and focus of the switch filter component are analyzed detailed in wireless communication system. An optimized design is made for the key features. The paper designs a miniaturization, high reliability and fast circuit control component, as well as testing and improving the scheme. According to the measurement ,we get results as follows: noise figure is 14dB, gain is 12dB, phase congruency≤±10°,channel isolation≥45dB,which all achieve the expected goals .By combining the theory with the actual experimental data, the thesis analyzes the results of the experiment and proposes the improvement of the existing scheme.

Keywordsultra wide band switch; filter; isolation; sideband rejection

收稿日期:2016-03-02

作者簡介:李新霞(1965-)，女，高級工程師。研究方向：微波小整機設計制造以及項目管理。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.024

中圖分類號TN713

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-082-04