一種寬帶梳狀線電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)

張薇薇，楊懌菲

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710121）

一種寬帶梳狀線電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)

張薇薇，楊懌菲

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710121）

提出了一種寬帶梳妝線電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)方法，采用四階變?nèi)莨芗虞d終端短路式，濾波器輸入端配有單級(jí)自偏中放電路，在帶內(nèi)起伏較小且在頻率低端的損耗也較小。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該濾波器的工作頻段為668.6 MHz～1 300 MHz，插損小于6 dB，3 dB帶寬小于5%，矩形系數(shù)為5時(shí)，阻帶抑制為45 dB。

電調(diào)濾波器，梳狀線，變?nèi)莨?/p>

0 引言

電調(diào)濾波器是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件［1］，通常需要使用濾波器從各種信號(hào)中濾除干擾、提取有用信號(hào)。由于電調(diào)濾波器的中心頻率可調(diào)，規(guī)定頻率的信號(hào)能夠通過(guò)器件，而規(guī)定頻率信號(hào)以外的能量被反射，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)數(shù)個(gè)頻率選擇的功能。電調(diào)濾波器反應(yīng)速度快，且采用梳妝線結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小型化。目前市場(chǎng)上的電調(diào)濾波器主要存在可調(diào)帶寬窄、頻率小于1 G、可靠性差等問(wèn)題，如何解決這些問(wèn)題是當(dāng)前研究人員要解決的首要問(wèn)題。文獻(xiàn)［2-4］介紹的電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，可調(diào)范圍窄，且插損較大。本文在梳狀線電調(diào)濾波器原理的基礎(chǔ)上，采用四階變?nèi)莨芗虞d終端短路式，濾波器輸入端配有單級(jí)自偏中放電路，設(shè)計(jì)出一種可調(diào)頻率范圍寬、插損小、可靠性好、信號(hào)接收范圍大的電調(diào)濾波器。

1 電調(diào)濾波器的基本原理

電調(diào)濾波器的主要思想通過(guò)改變控制諧振器頻率的電容或電感來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器可調(diào)或著重構(gòu)。現(xiàn)代系統(tǒng)的發(fā)展需要調(diào)諧速度超過(guò)1 GHz/μs，必須采用變?nèi)莨苷{(diào)諧技術(shù)。變?nèi)莨芏O管就是一個(gè)PN結(jié)，當(dāng)反向電壓變化時(shí)，它的電容也隨之變化。一般的電調(diào)濾波器是通過(guò)改變諧振器的等效電容而改變其諧振頻率，通常是將變?nèi)荻O管加在諧振器的主通路上或者枝節(jié)上以改變諧振器的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)中心頻率的可調(diào)。變?nèi)荻O管是設(shè)計(jì)電調(diào)濾波器常用的電調(diào)諧元件［5］。

變?nèi)莨艿牡刃щ娐啡缦马?yè)圖1所示。

LS引線電感，CV為結(jié)電容，RS為變?nèi)荻O管等效串聯(lián)電阻。

圖1 變?nèi)莨艿牡刃щ娐?/p>

變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容隨反偏電壓而變化，當(dāng)變?nèi)莨芙舆B諧振電路或元件，電容的變化改變諧振頻率［6］。當(dāng)帶通濾波器中電容元件在一定的范圍內(nèi)變化，濾波器仍能保持良好的帶通特性且通帶中心頻率相應(yīng)地改變時(shí)，用變?nèi)莨苋〈娙?，可?shí)現(xiàn)濾波器帶通特性的調(diào)諧。在較低頻率，濾波器采用集總參數(shù)，電路尺寸顯著縮?。挥捎诩倕?shù)元件在較高頻率的應(yīng)用受到限制，在較高頻率還要考慮分布參數(shù)濾波結(jié)構(gòu)［7］。本文選用變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器

梳妝線電調(diào)濾波器的諧振器是由一端短路、一端經(jīng)過(guò)一個(gè)可調(diào)電容的平行耦合線組成。如圖2所示，諧振器的耦合大小是由平行微帶線間的邊緣場(chǎng)決定［8］。梳狀線傳輸線式帶通濾波器的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)方法精度較差，必須采用CAD來(lái)提高準(zhǔn)確性。

當(dāng)改變串聯(lián)的電容值時(shí)，濾波器的中心頻率也會(huì)跟著發(fā)生變化，在一定的頻率范圍內(nèi)平移達(dá)到調(diào)諧的目的［9］。但是改變電容的同時(shí)也會(huì)改變諧振器間的耦合系數(shù)，從而濾波器的性能會(huì)受到影響。選擇合適的電長(zhǎng)度θ使得在調(diào)諧電容時(shí)濾波器在一定頻帶內(nèi)性能保持不變是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)［10］。

2 電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器的設(shè)計(jì)

因?yàn)樵陬l率的低端，獲得所需的高阻帶抑制相對(duì)較難，如果頻率可調(diào)范圍為f1～f2，取其幾何平均值為f0，即

令

式中，ΔBL為可調(diào)頻率范圍內(nèi)通帶帶寬（插損LdB），ΔBLn為ΔBL的歸一化，θ為微帶線電長(zhǎng)度，Γ為最大時(shí)θmax≈53°。由式（4）得

由ΔBL0進(jìn)而確定濾波器的階數(shù)，可調(diào)頻率和可變電容間滿足下式:

由式（8）知最小的可變電容對(duì)應(yīng)最大的可調(diào)頻率，最大的可變電容對(duì)應(yīng)最小的可調(diào)頻率，令f1、f2對(duì)應(yīng)的可變電容為Cs01、Cs02，則有

如Za=32 Ω，則Cs0=4.18 pf，Cs的可變范圍應(yīng)覆蓋9.24 pf～1.47 pf（變比大于6.3）。

此外還考慮到若階數(shù)過(guò)大，帶外抑制會(huì)改善但會(huì)帶來(lái)更多的損耗，特別是在加工后額外進(jìn)入的損耗更是無(wú)法控制，所以綜合考慮，濾波器采用四階。四階變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器電路拓?fù)淙缦马?yè)圖3所示。

電路選用相同容值的變?nèi)莨埽徊捎靡粋€(gè)電源控制，由于濾波器的通帶帶寬窄，對(duì)變?nèi)莨艿呐浣M及結(jié)電容一致性的要求比較高［11］。變?nèi)莨芷秒娐凡捎眉倕?shù)LC低通濾波器，由于變?nèi)莨芤欢送ㄟ^(guò)隔置電容到地，隔置電容的Q值對(duì)濾波器的性能影響較大，應(yīng)選用Q值較高的電容［12］。

濾波器的技術(shù)指標(biāo):工作頻段為668.6 MHz～1 300 MHz，插損小于6 dB，3 dB帶寬小于5%，矩形系數(shù)為5時(shí)，阻帶抑制為45 dB。

采用ADS1.5軟件中的多層耦合線模型（ML4CTL）分析優(yōu)化此電路，結(jié)果如下:

圖3 四階變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器電路拓?fù)?/p>

圖4 變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器的特性曲線（Rs=1Ω）

圖5 變?nèi)莨芗虞d終端短路式梳狀線濾波器的特性曲線（Rs=0.5 Ω）

從圖4、圖5中可看出，隨著中心頻率的升高，濾波器的帶內(nèi)增益有所增大，但矩形系數(shù)將變差。設(shè)計(jì)中考慮到變?nèi)莨茈娮鑂s的影響，Rs為1 Ω（圖4）與為0.5 Ω（圖5）在頻率低端差8 dB。由于變?nèi)莨茈娮鑂s的影響，在可調(diào)頻率范圍內(nèi)的低端，插損很大，從而使f1～f2的帶內(nèi)起伏比較大。

為了改善濾波器的帶內(nèi)起伏和在頻率低端的插損，在梳妝線濾波器前加上校正放大器，利用放大器的增益隨頻率的增加而線性下降達(dá)到更為合理的值。

2.2 校正放大器的設(shè)計(jì)

校正放大器采用單級(jí)中放電路，其加電方式為自偏（減少負(fù)電壓源），方便使用。經(jīng)合理選擇其工作點(diǎn)，改善了濾波器的帶內(nèi)起伏和在頻率低端的插損。其輸入輸出均含π形網(wǎng)絡(luò)，電路拓?fù)淙鐖D6所示，特性曲線如圖7所示。

圖6 校正放大器電路拓?fù)?/p>

圖7 校正放大器的增益特性曲線

校正前，帶內(nèi)起伏比較明顯，在頻率670 MHz和1.304 MHz處的插損相差10 dB。校正后，在整個(gè)帶寬內(nèi)的插損變化較平穩(wěn)，并且插損得到了有效的改善。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出的寬度電調(diào)濾波器，可調(diào)范圍寬，在濾波器的輸入端配有單級(jí)自偏中放電路，從而整個(gè)濾波器組件的帶內(nèi)起伏小且在頻率低端的插損也較小。由于濾波器采用微組裝工藝，一致性好，便于批量生產(chǎn)。如果變?nèi)莨艿腝值進(jìn)一步改善，濾波器的性能可以得到進(jìn)一步提高。

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A Design of Broadband Comb Line Electric Tunable Filter

ZHANG Wei-wei，YANG Yi-fei
（School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China）

The design of electric tunable broadband comb line filter is introduced in the paper. Using four order varactor loaded terminal short circuit，filter input is equipped with single stage selfbias circuit.Within the zone，ups and downs is small.Loss is small in low frequency.Test shows its working frequency range of 668.6 MHz～1 300 MHz，insertion loss of less than 6 dB，3 dB bandwidth less than 5%and resistance’s suppression ratio for 45 dB with rectangular factor of 5.

electric tunable filter，comb line，varactor

TN713

A

1002-0640（2017）04-0146-03

2016-02-27

2016-03-16

陜西省教育廳科研基金（14KJ1672）；西安郵電大學(xué)中青年基金資助項(xiàng)目（ZL2014-14）

張薇薇（1978-），女，陜西戶縣人，講師，碩士。研究方向：射頻通信。