电调滤波器频率校准装置的设计与实现

李建强

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

电调腔体滤波器可以在较宽的频带范围内调节通带的中心频率,同时具有较窄的通带宽度和较好的矩形系数,因而在宽带通信系统中得到了广泛应用。电调滤波器通过高精度的步进电机驱动腔体内的调谐杆来回运动,从而改变其中心频率,因而在调试时需要逐个频点记录步进电机的转动步数。但采用这种方法,滤波器的调试和维修工作量很大,尤其是工作频带较宽时。因此,有必要研制一种调节电调滤波器中心频率的辅助装置——校频单元。

1 频率校准装置的设计

1.1 设计模型

要调谐电调滤波器至某一中心频率,首先要在滤波器的输入端输入该目标频率信号,称这个信号为导频信号,然后通过步进电机驱动滤波器的调谐杆往复运动,改变滤波器的中心频率。当导频信号处于滤波器的通带时,滤波器输出的导频信号功率达到最大,在其他情况下,导频信号频率处于滤波器的阻带或过渡带,信号电平受到不同程度的抑制,均无法达到最大值。因此,只需在滤波器的输出端检测导频信号的功率大小,当检测到导频信号功率达到最大值时,对应的就是滤波器的通带。把通带对应的步进电机转动步数记录下来,经过一定的运算,即可得到滤波器中心频率调谐至导频频率时的步进电机转动步数,据此实现滤波器的频率校准。这就是校频单元的基本设计原理。

由此可知,校频单元应该由信号发生部分和小信号处理部分两大部分组成。信号发生部分位于电调滤波器的输入端,其核心电路为频率综合器,用来产生需要的导频信号。小信号处理部分位于电调滤波器的输出端,其核心电路为对数检波器,检波器的输出电压V与输入信号电平Pi成对数线性关系,即

式中,k,b为常数;Pi采用分贝形式表示。

为了不影响滤波器的正常使用并尽量降低对信道的影响,信号发生部分和小信号处理部分均应通过耦合器与电调滤波器连接。但采用这种方式,小信号处理部分入口处的信号电平会非常小,无法直接进行检波。因此,在其入口处应当由放大器首先对接收到的导频信号放大后再进行检波。为降低噪声功率对检波器的影响,该放大器的噪声系数应尽量低。

当导频信号处于滤波器的阻带时,大部分信号会被反射回去。为避免反射信号影响校频单元的正常工作,应当在信号发生部分的输出端和小信号处理部分的输入端均放置隔离器,以改善端口匹配情况,吸收反射回来的导频信号。

综上所述,可以得到校频单元的硬件设计模型如图1所示。

图1 校频单元设计模型

1.2 理论分析

当步进电机驱动滤波器的调谐杆往复运动时,其中心频率f连续变化,对频率为f0的导频信号的插损L(f,f0)也连续变化,当导频信号落入滤波器的通频带时,插损变为最小值Lmin,如图2所示。

图2 滤波器中心频率—插损关系

由图 2可以看出,当L(f,f0)=Lmin时,滤波器的中心频率f∈[fmin,fmax]。其中,

式中,B0为滤波器的通带宽度。

当滤波器的中心频率变化范围较小,例如不超过一个通频带时,可以近似地认为其中心频率与步进电机的步数成线性关系。因此,只需知道fmin、fmax对应的电机步数Mmin、Mmax,就可以得到滤波器调谐至导频频率f0时,步进电机需要转动的步数为:

设校频单元信号发生部分产生的导频信号功率为P0,2个耦合器的耦合度分别为C1、C2,小信号处理部分的放大器增益为G。则根据校频单元的设计模型,在任一时刻检波器检测到的信号电平为:

式中各量均为分贝形式表示。

式(1)和式(4)联立可知,检波器的输出电压为:

当L(f,f0)=Lmin时,检波器的输出电压V变为最大值Vmax(正斜率检波,k＞0)或最小值Vmin(负斜率检波,k＜0)。因此,只需在滤波器调谐过程中将检波电压V通过A/D变换送给监控装置,由监控对电压值进行分析,找出令V取极值时步进电机对应的起始步数Mmin和终止步数Mmax,就可以由式(3)得到导频频率对应的步进电机转动步数M0,据此即可驱动步进电机,将电调滤波器调谐到导频频率f0。

1.3 设计方案

下面给出校频单元的一种具体设计方案。在该设计中,电调滤波器调谐的频率范围为4.4～5GHz,2个耦合器的耦合度均为25 dB。在信号发生部分,首先由监控控制PLL芯片Si4136生成 2.2～2.5 GHz范围内的射频信号,该信号经过倍频、放大、滤波后即可得到4.4～5GHz范围内的导频信号,最终输出的信号电平应在+8 dBm以上。在小信号处理部分,先由放大器对接收信号放大后再进行检波,检波器选用ADI公司的AD8318,其检波形式为负斜率对数检波。它输出的直流检波电压信号经A/D变换后送给监控,由监控分析得出检波电压取极小值时的步进电机转动范围,据此即可将电调滤波器调谐至导频频率,校频单元设计框图如图3所示。

图3 校频单元设计框图

2 频率校准装置的实现

2.1 具体实现方式和指标测试

最终得到的校频单元硬件由2块印制板构成,分别为信号发生板和小信号处理板。2块印制板均置于屏蔽盒中,通过射频同轴连接器与耦合器连接。

校频单元信号发生部分的关键指标为输出信号频率和电平,小信号处理部分的关键指标为不同输入电平下的输出检波电压。对关键指标的测试结果如表1所示。其中,小信号处理部分的测试频率为4.7 GHz,在其他频率下的测试结果与此接近。

表1 校频单元测试结果

2.2 结果分析

由表1可知,在4.4～5 GHz的频率范围内,信号发生部分输出的导频信号电平均在+8 dBm以上;在-65～-40 dBm的输入动态范围内,小信号处理部分具有良好的对数检波特性。

根据式(4)并结合表1的测试结果可知,在本设计中,当滤波器的中心频率与导频频率一致时,小信号处理部分得到的输入电平最大,约为-40 dBm,在其他情况下,输入电平均小于-40 dBm。而根据表1的测试结果,在-40 dBm以下25 dB的输入动态范围内,小信号处理部分具有良好的对数检波特性,其输出检波电压可以准确地反映滤波器插损的变化情况。因此,监控就可以根据小信号处理部分输出的检波电压值,对滤波器的调谐情况做出准确的判断,从而驱动电调滤波器转向导频频率。

3 结束语

通过实际测试,利用校频单元调谐电调滤波器的中心频率时,在4.4～5 GHz的频率范围内,调谐后滤波器中心频率与导频频率的偏差均在±500 kHz以内,其中80%以上的频点可以控制在±300 kHz以内。由此可知,校频单元的设计结果符合要求。采用这种方式,只需增加很少的硬件成本,即可显著降低电调滤波器的调试、维护难度,这就为电调滤波器的大批量生产创造了条件。目前,校频单元已在实际中得到成功应用。

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