高性能跳频滤波器设计

杨玲玲

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

现代通信对电台抗干扰能力的要求越来越高,采取跳频、扩频技术克服通信干扰的手段也越来越多地得到了应用。一个跳频通信系统通常包括几个工作于不同频段的T/R组件。为了有效利用不断变化的电波传播条件,同时也为了信息不被敌方截获,避免敌台施放干扰,理想情况下,各个T/R的中心频率应能在任何时候任意改变,而不要求重新调整[1]。体积小、时间快、点数多和窄带的跳频滤波器可实现这样的功能,完成信号的快速选择并提供一定的通道隔离度。

针对跳频通信系统中跳频滤波器的高性能、小型化设计和收发共用这一研究目标,国内外进行了广泛的研究,总结起来主要有以下4个方面的工作:机械传动跳频滤波器、微功率跳频滤波器、大功率频选组件和基于MEMS技术的调谐滤波器,它们的原理基本相同,都是通过变化谐振电抗(等效电感或电容)来改变谐振频率[2-4],各有特点,这里不再详述。针对跳频滤波器越来越高的要求,不仅要求用于接收信道,发射信道同样需要,为此,本文提出了一种具有体积小、时间快、点数多、窄带、功率高和低插损特点的高性能跳频滤波器设计方法。

2 跳频滤波器的组成和原理

跳频滤波器由射频部分和数控部分组成,其中射频部分又由无源谐振腔和有源开关电容阵两部分组成。我们知道,对于电容加载腔体滤波器,可以利用加载电容值的改变来进行滤波器中心频率的调整。本文提出的跳频滤波器就是基于这个基本原理,把加载电容排列成一个阵列,将阵列进行组合,组合出一定数量的加载电容值,通过开关切换这些不同的组合,加载到内导体上,从而形成不同的中心频率,实现跳频滤波的功能。本文提出的跳频滤波器分为腔体、开关电容阵和数字控制3个模块,采取垒积木的方式将这3个模块集成在一起。由数控模块选择开关电容阵是否接入谐振电路来选择中心频率。开关电容阵被数控模块驱动控制,使电路接收数字调谐指令,将其变换为跳频滤波器内部的所需编码并驱动开关,由开关来选择电容阵组合是否接入同轴腔谐振电路。整个调谐过程的完成设定在微秒量级,外部调谐码为标准8位并行二进制编码,允许最多256个调谐点。

3 主要参数分析与实现

功率和插损是跳频滤波器的两个重要参数。下面就跳频滤波器的腔体、开关和电容的功率和插损进行分析计算。

3.1 谐振腔

跳频滤波器的腔体设计应能满足功率容量、带内插损、带外抑制和体积等指标。在体积一定时,采用内圆外方的缩短同轴腔结构可以提高腔体的功率容量[5]。

根据文献[6]的研究结论,当内导体外径与外导体内径之比即a/b=0.33时,作为内圆外方谐振器的Qu值获得最佳,这时衰减ατ最小,此时同轴线的特性阻抗 Z=71 Ψ。若b不变,改变 a,则在 b/a=1.65时,传输平均功率最大,此时同轴线的特性阻抗Z=34.6 Ψ。由此,我们知道同轴腔的插损和功率同腔体尺寸之间的关系,并不是插损最小时其传输平均功率最大,所以设计时可以根据具体技术要求来确定腔体尺寸。已知频率、导体材料和腔体的边长和内径并以a/b=0.33为比例时,可以根据文献[6]中的公式求出同轴腔无载品质因数 Qu、平均功率 Pm,以及插损L的值。如果计算出平均功率能够满足指标要求,我们则以最大无载品质因素所对应的腔体尺寸为设计尺寸;如果不满足平均功率指标要求,可以适当调整 a/b的比例,由0.33朝0.606方向调整,在插损尽量小的情况下兼顾到平均功率的指标。

根据以上谐振腔的插损和功率参数的分析,总结出跳频滤波器谐振腔结构尺寸参数选取的3个原则:第一,避免高次模,工作频率(MHz)应该满足f<7510/(a+b);第二,满足功率容量,a/b=0.606时功率容量最大;第三满足损耗要求,a/b=0.33时无载Q值最高,损耗最小。a/b一般选择在0.33～0.5之间。

此外,考虑到内导体缩短会降低腔体的Q值,且传输功率的瓶颈主要在PIN二极管上,所以选择跳频滤波器的尺寸以满足衰减最小为基本原则,选取a/b=0.33。此时,同轴腔的特性阻抗约为71 Ψ,且工作频率也远远小于截止频率。根据同轴腔击穿功率的公式可计算出其允许的平均传输功率为47.6 W,同时满足功率要求。

3.2 开关

腔体确定后,下面对开关的插损和功率进行分析。跳频滤波器拥有跳频功能其最关键的技术是实现滤波器加载可变电容。可变电容的实现是采用微波电子开关加集总电容阵列。PIN二极管作为微波信号控制开关不失为一种很好的选择。PIN二级管是一种特殊的电荷存储二极管,正向电压下,导通电阻很小,近似短路;反向偏压下,阻抗很高,近似开路,可以承受较高的击穿电压,即可处理较大功率;除此之外还具有开关速度快和插损小的特点,被广泛应用在微波控制电路中。

当微波信号和直流偏置同时作用于PIN二极管时,PIN二极管的工作状态主要取决于直流偏置状态。这是因为PIN二极管所呈现的阻抗水平只取决于直流偏置,与微波信号没有关系,因此,我们只用较小的直流功率来控制PIN二级管的工作状态,却能得到控制较大功率的微波信号的结果。PIN二极管作为微波控制器件,特点是可控功率大、插入损耗小、隔离度高以及在大的正向偏置电流和大的反向偏置电压下,可以得到近乎微波短路和开路的特性。

基于开关电容阵电路的可实现性,本文采用的是串联型开关电路,根据文献[7]的功率计算公式,可以求出PIN管的最大耗散功率和电源资用功率,其较小者为单管串联型开关的功率容量。

文献[7]是假定在理想情况下,用“电路”的概念,计算出了理论上功率容量的极限值。但是在PIN管控制电路的实际使用中特别是射频大功率的使用中,还需要特别考虑工作环境、可靠性和电路在系统中的匹配状况等因素。首先,开关不可能在电路中做到完全匹配,电压驻波比为1.1～1.5都是通常容易出现的,尤其在开关电容阵中,开关直接与电容阵连接,当电容阵在某一个组合时,驻波到1.4甚至到1.5都是有可能的,具体实验也证实了当频率切换到个别频点时,驻波比达到1.5。如果负载损坏,将直接产生全反射,例如需要导通的PIN二极管被损坏或失效时,驻波比将非常大,甚至为3以上都有可能。PIN二级管在行驻波状态下,能承受的最大电压值是入射波信号电压的(1+Γ)倍(假定电路无耗),其中 Γ为反射系数;在全反射状态下,PIN管承受的最大电压值是入射波信号电压的2倍。由于功率与电压的平方成正比,所以PIN二级管功率容量将为理想驻波环境下的(1+Γ)2倍到4倍,即PIN管的功率保险系数取0.2～0.3。

根据以上分析,可以理解开关是影响跳频滤波器承受功率最关键的因素。本滤波器选用的PIN管最后计算的输入功率为6.25 W。

3.3 射频电容

在对加载电容阵中微波电子开关的参数进行分析后,现在对集总电容的参数也进行分析。等效串联电阻(ESR)常常是射频电容的最重要参数之一。ESR通常以毫欧为单位,是电容内所有损耗的综合指标,等于电容介质损耗(Rsd)和金属损耗(Rsm)的和(ESR=Rsd+Rsm)。高频设计时,主要考虑金属损耗和Q值对插损和功率的影响。

Q值,又称品质因素(Quality Factor),是衡量电容插损的重要指标。Q值越高,射频功率损耗越小。等效串联电阻和品质因素存在如下关系:

式中,xc为容抗,xl为感抗。由式可知,电容品质因数的数值等于电容纯电抗和电容等效串联电阻的比值,与ESR成反比,和净电抗成正比。设计滤波器时应了解整个频带内的等效串联电阻范围,并掌握频带内的插损,通常在电容产品手册里可以查出ESR和插损。使用低损耗电容能把输入频带插入损耗S21减到最小,让滤波曲线更接近理想值。

电容的功率损耗反比于Q值,正比于 ESR,在射频大功率电路中,电容功率耗散可由 P=I2ESR计算出来。低ESR的电容在电路中能减少发热,使电路发热问题得以控制。使用低ESR高Q无源器件能大大降低器件发热所造成的损耗。低损耗电容用于高射频功率设备中时,设备功率可以是电容额定功率的几百倍,因此高Q低等效串联电阻将对大功率射频电路起至关重要的作用。

4 仿真与实测

由于要将开关的开和断状态全部模拟到仿真中,作者专门设计了PIN二极管导通和截止两个状态的封装模型,验证设计方案的可实现性。在ADS电路级仿真中模拟出了全频段跳频的跳频滤波器性能,得到了预置频率与对应电容组合的关系,为腔体加载开关电容阵的设计提供电容初始值。

图1给出了覆盖整个频段选9个点的S21和S11曲线,仿真结果验证了跳频滤波器的方案能实现全频段小步径跳频。从仿真曲线中可以看到,跳频滤波器的驻波比在频率的低端和高端较大,这是因为这里采用的集总参数代替腔体的方孔磁耦合,耦合电感的大小是以频段的中间频点来计算求得,所以频段的高低端驻波比变得较差。而采用腔体方孔耦合时[8,9],这种恶化程度会有所降低,使窄带同轴腔滤波器的调谐范围比其它方式更宽达63%,从后面的实测曲线也可以验证以上分析。

图1 开关电容阵加载的跳频滤波器特性曲线Fig.1 Characteristic curves of the switched capacitor loaded FH filter

跳频滤波器的实物照片如图2所示,其中2.1%带宽的跳频滤波器的常温实测结果见表1和表2,可见达到了预期要求。

图2 跳频滤波器实物照片Fig.2 Picture of the FH filter

表1 实测带内最差值Table 1 The measured worst in-band value

表2 实测带内取三点结果Table 2 The measured result of choosing three frequency points from in-band

跳频滤波器部分温度试验测试曲线如图3和图4所示。为提高跳频滤波器的选择性,研制出了多种带宽的滤波器以供级联,下面有两种带宽的跳频滤波器的高低温特性曲线。从高低温测试曲线可以看出,带宽越小,滤波器受温度的影响越大。温度降低时,中心频率升高,带宽变窄。

图3 较小带宽跳频滤波器实测曲线Fig.3 Measured curves of narrower bandwidth filter

图4 较大带宽跳频滤波器实测曲线Fig.4 Measured result of larger bandwidth filter

以上是在小功率(0dBm)状态下跳频滤波器的性能测试结果。表3给出了功率试验的测试数据。

表3 功率测试数据Table 3 Power test data

从实测结果看出,跳频滤波器插损、带宽、矩形系数、频点数的仿真与实测结果吻合较好,达到了满意的设计效果。

5 结束语

跳频滤波器具有非常广阔的应用前景,研制体积更小、性能更好的跳频滤波器是一项非常有意义的课题。本文提出了利用有源开关电容阵加载无源同轴谐振腔的方法实现低插损、大功率的高性能跳频滤波器,针对其关键指标对外方内圆同轴腔体、PIN开关二极管和射频电容的功率和插损因素进行了简要分析,总结出了跳频滤波器选用器件和实现方式的基本原则。通过建立开关电容阵的仿真模型,运用ADS和HFSS两个仿真平台得到了跳频滤波器的仿真结果,为实物制作提供了非常有用的初值。实测数据和曲线表明本文提出的跳频滤波器能够满足工程技术指标要求。

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