關(guān)于大功率濾波器的設(shè)計(jì)研究

趙君偉

（1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 歐洲環(huán)線和國(guó)內(nèi)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的區(qū)別

應(yīng) 答 器 傳 輸 系 統(tǒng)（Balise Transmission System，BTS）是一種基于點(diǎn)式信息傳輸?shù)陌踩珎鬏斚到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)地通信，這是國(guó)內(nèi)BTM 系統(tǒng)設(shè)備與車(chē)載設(shè)備之間的安全信息傳輸。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)包括應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）及車(chē)載天線單元（AU）、有源應(yīng)答器（Controlled Balise）和無(wú)源應(yīng)答器（Fixed Balise）、地面電子單元（LEU）3 個(gè)基本組成部分。與國(guó)內(nèi)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)相比，歐洲環(huán)線車(chē)載設(shè)備同時(shí)還具備碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA)信號(hào)通信功能，為此需要增加CDMA 信號(hào)接收功能模塊，CDMA 體現(xiàn)在射頻性能上的特點(diǎn)是帶寬寬，具有峰均比，以及射頻通道具有良好的線性度。實(shí)現(xiàn)該射頻子系統(tǒng)模塊功能的關(guān)鍵技術(shù)是高功率濾波器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。依據(jù)SUBSET-044 標(biāo)準(zhǔn)和BTM 接收系統(tǒng)鏈路計(jì)算，對(duì)高功率濾波器進(jìn)行指標(biāo)定義。來(lái)自天線的信號(hào)不僅有13.5 MHz 的CDMA 小信號(hào)，還有27.095 MHz 的應(yīng)答器激活信號(hào)，這個(gè)信號(hào)輸出功率20 W，幅度很大。如果不對(duì)27.095 MHz 信號(hào)抑制處理，直接通過(guò)低噪聲放大器（LNA），放大器將承受不住發(fā)送板的高功率信號(hào)，器件將會(huì)損壞。同時(shí)，接收機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會(huì)被27.095 MHz 信號(hào)阻塞，CDMA 信號(hào)不能正常解調(diào)解碼，因此必須對(duì)27.095 MHz信號(hào)進(jìn)行抑制處理。另外，還需考慮對(duì)來(lái)自應(yīng)答器信號(hào)4.5 MHz 的抑制，防止4.5 MHz 信號(hào)影響CDMA 的解調(diào)解碼，高功率帶通濾波器就是要達(dá)到這個(gè)目的，為保障后續(xù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能有效處理工作帶內(nèi)的CDMA 信號(hào)。

2 大功率帶通濾波器主要指標(biāo)定義

1）根據(jù)SUBSET-044 (2.4.0) 定義，帶通濾波器帶寬為4.5 MHz，考慮到后續(xù)解擴(kuò)處理，預(yù)留邊帶0.5 MHz，因此按照13.5475±2.5 MHz 來(lái)定義，即11.05 ～16.05 MHz。

2）帶內(nèi)插損

信號(hào)通帶內(nèi)（11.05 ～16.05 MHz）≤4 dB，帶內(nèi)插損越小越好，如果帶內(nèi)插損過(guò)大，將直接影響射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，降低整機(jī)的接收靈敏度。SUBSET-044 沒(méi)有對(duì)帶通濾波器的帶內(nèi)插損進(jìn)行定義，根據(jù)自身系統(tǒng)的鏈路進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合仿真數(shù)據(jù)給出了最佳的帶內(nèi)插損值在4 dB 之內(nèi)。

3）帶外抑制

對(duì)于27.095 MHz，要求有盡可能大的抑制。但如果抑制太大，將增加濾波器的階數(shù)，帶來(lái)的問(wèn)題就是增加了帶內(nèi)插損，根據(jù)射頻板鏈路預(yù)算，需要≥50 dB。

對(duì)于4.5 MHz 來(lái)說(shuō)，4.5 MHz 屬于應(yīng)答器發(fā)出的頻移鍵控（FSK）頻率，也需考慮應(yīng)答器最大功率發(fā)射對(duì)CDMA 信號(hào)的干擾，這個(gè)信號(hào)也需要濾除，根據(jù)鏈路計(jì)算，需要≥40 dB。

4）端口駐波具體指標(biāo)

端口駐波定義，在工作帶11.05 ～16.05 MHz內(nèi)的回波損耗，應(yīng)≤-10 dB。

3 仿真設(shè)計(jì)

為保證通帶內(nèi)幅頻特性的平坦度，采用最大平坦型（巴特沃斯）結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)用八節(jié)LC 結(jié)構(gòu)，采用巴特沃斯的目的是通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線具有最大限度平坦，沒(méi)有紋波，在阻帶則逐漸下降為零。一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6 dB，每十倍頻20 dB，八階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻48 dB。八階LC結(jié)構(gòu)能有效克服巴特沃斯濾波器較長(zhǎng)過(guò)渡帶的缺點(diǎn)，滿足在27.095 MHz 和4.5 MHz 抑制，達(dá)到本文設(shè)計(jì)的要求。建模如圖1 所示。

圖1 帶通濾波器仿真模型Fig.1 Simulation model of the band-pass filter

帶通濾波器仿真結(jié)果如圖2 所示。端口駐波仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖2 帶通濾波器仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of the band-pass filter

圖3 端口駐波仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of the standing wave of the port

仿真結(jié)論如下。

通帶11.05 ～16.05 MHz 內(nèi)，插入損耗最大，為-3.715 dB，在27.09 MHz 處的抑制為-62.033 dB，在4.5 MHz 處的抑制為-74.908 dB，端口駐波最差處為-11.598 dB。

4 電路設(shè)計(jì)

大功率設(shè)計(jì)需要做冗余設(shè)計(jì)，以此來(lái)滿足高可靠性。為充分保證設(shè)計(jì)的余量能力，本設(shè)計(jì)不以BTM發(fā)送板輸出口做參考，而是以BTM 的天線輸入口為參考點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，這樣能保證設(shè)計(jì)有余量，電路中含有頻率為27.095 MHz，功率為20 W（+43 dBm）的信號(hào)?？紤]到線路損耗，按照10 m 電纜長(zhǎng)度0.5 dB 衰減來(lái)考慮，再考慮其他因數(shù)，比如高、低溫等其他因素條件下預(yù)留0.5 dB 余量，那么設(shè)計(jì)時(shí)需按照在BTM 發(fā)送板輸出端44 dBm（25 W）以上的功率來(lái)計(jì)算CDMA 接收機(jī)的功率承受能力，因此濾波器和電路接入的前端需要考慮能夠承受25 W以上的信號(hào)。電路按照50 Ω 匹配設(shè)計(jì)，落在電容上的電壓至少36 V，通過(guò)電感的電流最小為0.71 A，考慮到電容和電感的可靠性工作，需要留有足夠的降額設(shè)計(jì)。電路的前三級(jí)電容390 pF、470 pF 和100 pF 的耐壓為600 V、600 V 和500 V，前三級(jí)電感500 nH、390 nH 和500 nH 的電流為4.3 A、4.4 A 和4.3 A。

來(lái)自天線的信號(hào)不僅有13.5 MHz 的CDMA 小信號(hào)，還有27.095 MHz 的激活信號(hào)，這個(gè)信號(hào)幅度很大，功率為25 W。如果不對(duì)27.095 MHz 信號(hào)抑制處理，直接通過(guò)低噪聲放大器（LNA），放大器將承受不住25 W 的高功率信號(hào)，器件將會(huì)損壞。同時(shí)，接收機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會(huì)被27.095 MHz 信號(hào)阻塞，CDMA 信號(hào)不能正常解調(diào)解碼，因此必須對(duì)27.095 MHz 信號(hào)進(jìn)行抑制處理。另外還需考慮對(duì)來(lái)自應(yīng)答器信號(hào)4.5 MHz 的抑制，防止4.5 MHz信號(hào)影響CDMA 的解調(diào)解碼，高功率帶通濾波器就是要達(dá)到這個(gè)目的，為保障后續(xù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能有效處理工作帶內(nèi)的CDMA 信號(hào)。

大功率帶通濾波器和現(xiàn)有濾波器不同點(diǎn)：1）LC 結(jié)構(gòu)形式不同，電感和電容的數(shù)量和數(shù)值都不一樣；2）通帶（工作頻帶）定義不一樣；3）抑制頻點(diǎn)和抑制量定義不一樣；4)濾波器承受功率不同。

J101 是信號(hào)輸入連接器，用的MCX，J102 是測(cè)試點(diǎn)連接器，信號(hào)從J101 輸入，從J102 處測(cè)試，分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1 和端口2。如果是連接有大功率信號(hào)測(cè)試，需要在J102 處先加至少30 dB衰減器，測(cè)試是否有大功率信號(hào)泄漏，確定沒(méi)有后再進(jìn)行測(cè)試，防止損壞儀表。

5 測(cè)試驗(yàn)證

單板生產(chǎn)加工后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。測(cè)試之前用校準(zhǔn)件將網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將單板的輸入和輸出分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1 和端口2進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4、5 所示。

圖4 高功率帶通濾波器測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test result of the high-power band-pass filter

6 設(shè)計(jì)總結(jié)

圖5 高功率濾波器端口駐波測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test result of the standing wave of the port of the high-power filter

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，11.05 ～16.05 MHz 帶內(nèi)插損最大-2.772 4 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-3.715 dB，帶外27.095 MHz 處的抑制是-65.130 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-62.033 dB，4.5 MHz 處的抑制是-89.140 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-74.908 dB。11.05 ～16.05 MHz 工作帶內(nèi)的端口駐波小于-11.861 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-11.598 dB。

通過(guò)功率放大器輸出30 W 功率，來(lái)驗(yàn)證濾波器的高功率性能，通過(guò)連續(xù)高功率24 h 加電運(yùn)行，電路各項(xiàng)指標(biāo)正常。

以上所有測(cè)試指標(biāo)均優(yōu)于定義需求。本設(shè)計(jì)已滿足并已成功應(yīng)用于歐洲環(huán)線實(shí)際工程中。