可调滤波器的应用和发展

周水杉, 章 莉



可调滤波器的应用和发展

周水杉1, 章 莉2

（1.中国电子科技集团公司第13研究所，河北 石家庄 050051；2. 成都宏明电子股份有限公司，四川 成都 610051）

介绍了可调滤波器的应用背景和国内外研制现状，重点介绍了VHF/UHF通信用LC可调滤波器的设计，给出了增强二次谐波抑制的跳频滤波器的设计和验证。

LC可调滤波器；VHF/UHF通信；二次谐波抑制；设计软件；应用；发展

为了确保复杂军事系统“制电磁权”，DARPA（美国国防高级研究计划局）把可重构/可调谐射频/微波滤波器列入自适应射频技术项目（ART），作为四大战略投资重点领域之一。

美军根据1989年海湾战争自己飞机误炸自己坦克的教训，随之实施军用电台升级换代，由海陆空各占一段电台频率并采用不同调制方式改为海陆空互通互连，这就要求一部电台的工作频率覆盖范围大大加宽。为了提高抗干扰能力，必须采用宽带线性功率放大器和快速变频的带通滤波器。宽带线性功率放大器带宽越宽，功率越大，线性越好；带通滤波器跳频速率越高，跳频带宽越宽，瞬时通带越窄，矩形系数越好，动态范围越大，则通讯距离越远，抗干扰能力越强。于是一个专门研制生产可调滤波器的POLEZERO公司应运而生。相应军用电台的频率跳变和调制方式变换均依赖软件无线电技术实现。这种电子可重构滤波器也是宽带雷达或电子军用系统渴望得到的。因此近十年来，可调滤波器一直是国内外研究的热点[1-3]。

可调滤波器主要有可调带通滤波器和可调带阻滤波器。可调带通滤波器，主要要求保持滤波特性（如绝对或相对通带带宽）基本不变，中心工作频率可以在很宽频率范围快速改变（连续或跳变）。按变频方法主要可以分为：

1. 改变滤波器电参数：改变电容(采用变容管、场效应管或采用开关电容组；新的BST钛酸锶钡压敏电容)，改变电感（有源可调电感；通过改变磁场，改变YIG单晶小球谐振频率或频率较低时采用开关电感阵列）；

2. 改变滤波器几何尺寸：如用机械方式改变螺旋滤波器、同轴滤波器或波导腔体滤波器对谐振频率敏感的腔体尺寸，采用MEMS（微机械系统）开关改变微带或悬置微带谐振器的长度；

3. 改变滤波器通断工作状态：如采用带通滤波器组开关切换；

4. 通过改变相位达到改变合成滤波器工作频率：在并联耦合切换延迟线的基础上实现电调可重构微波滤波器；

5. 通过改变传输相速度等改变滤波器工作频率：体声波（BAW-SMR和FBAR）滤波器的中心频率的调谐范围可以超过2％～5％，甚至是3～4倍。

目前几种可调滤波器和开关的典型性能对比如表1、表2。

表1 可调带通滤波器典型性能对比

Tab.1 Typical performance comparisons of tunable bandpass filter

参数机械式腔体YIG单晶球变容二极管PIN开关管MEMS开关BST压敏电容 插损IL /dB0.5～2.53～81～71～83～81.7～5 有载Q值> 1000> 500< 50< 50< 100＞80 功率处理能力/W50020.011～10021～100 带宽/%0.3～30.2～33～202～101～10> 4 交调IIP3/dBm非常高< 3010～3040～60> 50>40 调谐速度/(109 Hz·ms–1)非常低0.5～210～102103102 功耗高高0中00 小型化否否是是是是

表2 FET 开关，PIN二极管和 RF-MEMS开关性能对比

Tab.2 Performance comparisons of FET switches, PIN diodes and RF-MEMS switches

参数RF-MEMSPINFET 电压/V20～100(+3～+5)/(–80～–400)3～5 电流/A00.1～50 功耗/mW0.05～0.150～10000.05～0.1 开关时间/μs10～3001～201～100 串联电容/fF2～1240~8070～140 串联电阻/Ω0.5～2 2～44～6 电容比20～300 10N/A 截止频率/THz20～801～4 0.5～2 隔离(0.01～10 GHz)高高中 隔离 (10～40 GHz)高中低 隔离 (60～100 GHz)高中无 损耗 (1～100 GHz) /dB0.05～0.20.3～1.20.4～2.5 功率处理能力/W<5<100<10 交调IIP3 /dBm60～8027～6027～45

1 可调滤波器的国内外研制现状

早期的YIG小球磁调谐宽带可调滤波器，已用于微波扫频源，但其调谐速度较低。采用MEMS开关一分布参数式可调带通滤波器，已有产品报道。美国POLEZERO公司已生产1.5MHZ～2 GHz电调带通滤波器和1.5 MHz～1GHz开关电容式跳频滤波器，其中30～400MHz其最高功率可达100W[4]（见表3）。Hittite Microwave Corporation采用有源可调电感生产MMIC单片微波集成可调滤波器，包括低通和带通[5]（见表4）。美国Active Spectrum和K&L微波公司生产的机械式可调滤波器产品。PARATEK MICROWAVE公司基于BST(钛酸锶钡)压敏电容特性专业化生产可调带通滤波器（BPF）。国内中电科13所、武汉博畅、广州圣大、北京七星华创等也研制部分产品。

表3 POLEZERO公司产品主要性能

Tab.3 The main performances of POLEZERO company's products

型 号IL(BW3dB = 4%)dBP1dBdBmIIP3dBm电流（+5V DC）mA覆盖频率范围MHz MEGA1.0+48+58＜500030～400 (3Band) Power2.2+43+53＜150010～700 (6 Band) Maxi2.5+32+45＜5001.5～1000 (9 Band) Mini5.0+32+45＜2501.5～1000 (9 Band) Micro4.0+0+10＜110～2000 (8 Band)

表4 Hittite Microwave 公司单片微波集成可调滤波器性能

Tab.4 Performances of monolithic microwave integrated tunable filter of Hittite Microwave Corporation

型 号频率 GHz特性调谐速度(109Hz·ns–1)通带调整GHz阻带调整dB HMC890LP5E1～2BPF1/200f0±3%30 dB/9 GHz HMC891LP5E2～3.9BPF1.9/200f0±3% HMC899LP4E19～38BPF1/200BW3dB=18%BW20dB=35% HMC881LP5EDC-2.2/4LPF1.8/1502.2～4.035 dB/30GHz HMC882LP5EDC-4.5/7.6LPF3.1/1504.5～7.6 HMC1000LP5E3.6～12.2BRF200IL=3 dBBW20dB=6%～14%;

2 可调LC带通滤波器的主要指标和电路拓扑结构

1．选择性

通带带宽：BW3dB（或以(BW3dB/0)×100%表示）；

通带插损：IL(dB)；

阻带衰减：BW30dB或指定频带0±Δ的衰减量；20的衰减量；

矩形系数：BW30dB/ BW3dB。

2．I/O(输入、输出)级联特性

输入、输出阻抗与电压驻波比VSWR（或11、22）；

动态线性指标：通带内输入端P1dB、IP3、IP2；

允许输入的最大射频功率（不损坏）；

通带相位群时延及相位抖动。

3．调谐特性

可调频率范围H、L；

调谐速度；调谐功耗（电压、电流）；调谐方式和频点编码设置。

4．工作温度范围

中心频率误差（或温度漂移）。

5．结构尺寸、安装连接方式、重量

可调LC带通滤波器的电路拓扑结构是在固定LC带通滤波器电路拓扑结构基础上，增加两项主要要求：

a. 可重构性：

中心频率可调，同时保持BW3dB绝对带宽或BW3dB/0相对带宽不变，并保证电压驻波比和矩形系数小于设计值，希望可调覆盖频率范围H/L尽可能大；有时要求BW3dB/0相对带宽可调，如通带的上边带或下边带可调。

b. 可实现性：

可调元件尽可能少，容易实现；其余元件参数基本不随频率变化而变化。

在1MHz～3 GHz范围，频率较低，滤波器容易用集总参数元件实现，因此VHF/UHF高速跳频通信电台用可调带通滤波器，优先采用LC滤波器。为实现中心频率宽带可调，比较各种电路拓扑，最佳选择是串联电感耦合带通滤波器电路。文献[6]第5章介绍了集总元件耦合谐振器滤波器，给出了串联电容耦合、互感耦合和并联电感耦合三种带通滤波器电路设计公式，但未给出串联电感耦合带通滤波器。

3 可调LC滤波器的设计和增强二次谐波抑制的验证

文献[7]提出：根据对偶原理，可由电容耦合带通滤波器电路参数求出串联电感耦合带通滤波器的电路参数，如采用Ansoft Design V2设计软件给出的电容耦合带通滤波器参数，再换算求出串联电感耦合带通滤波器的参数。更好的是采用RFFiliterVer-3.30 设计软件，可直接获得串联电感耦合带通滤波器的电路参数。考虑高速数据或图象传输群延迟特性，宜采用最大平坦型设计。典型双调谐电路如图1。

为改善电感耦合电路低频端衰减较差的特点，同时为了改善匹配，可在两端加载T型高通网络(图1(b))或Γ型高通网络。当要求以L调到H时，如按f=（LH）1/2设计电路参数，在保证带通滤波器特性不变， BW3dB/0在3%～10%范围，保证通带内VSWR≤1.5，可实现可调范围H/L=4。实际制作当通带较窄时，LS2较大，可将电感π型网络变换为T型网络。

可调LC滤波器的设计程序如图2。

可调LC滤波器的设计程序基础上，选择空心线圈作电感，选择合适的高变容二极管就可完成输入动态15dBm以下的毫瓦级电调滤波器的设计。如果采用BST压敏电容器，则可完成输入动态达瓦级电调滤波器的设计。如用增量二进制开关电容阵列算法，实现从对应H的min变化到对应L的max，也可完成瓦级数控跳频滤波器的设计。要实现10W级和100W级的大功率跳频滤波器，为简化输入、输出匹配网络，可以设计并联谐振电容足够大，无需加载T型高通网络或Γ型高通网络。

文献[7]提出了一种增强跳频滤波器二次谐波抑制的专利技术，本文给出了一个验证设计，见图3。与图1 相比，增加了电感L6+L8和L7+L9，级间耦合电感L2变成接在L6和L8（L7和L9）之间。其中（C1+C3）与L8，（C2+C4）与L9同时在2发生串联谐振，形成衰减极点；（C1+C3）与L8+L6+L4，（C2+C4）与L9+L7+L5同时在发生并联谐振，形成传输零点。设计时需采用专利算法。采用Agilent Technologies公司 ADS（Advanced Design System 2009）设计软件进行仿真。ADS仿真数据及结果见表5和图4，调试频点数据见表6。在ADS仿真基础上，选择高电容器和大功率PIN二极管，装配开关驱动和跳频程控电路，输入、输出和级间耦合电感采用0.8～1mm直径的漆包线绕制成空心线圈，而并联谐振电感要求用小于1/16波长的同轴线实现，以降低损耗，改善散热。采用Agilent 公司网络分析仪8753ES测试跳频滤波器的带通滤波器特性，用射频信号跳频源E4432加射频功率放大器(1 mW放大到100 W)加频谱仪HP8563E测试跳频滤波器大功率下通带插损和阻带衰减，测试系统方框图见图5、图6。测试结果见表7、表8，所研制的跳频滤波器满足设计指标。与传统设计相比，同等带宽，双调谐二次谐波抑制改善20～30 dB。

表5 ADS仿真数据

Tab.5 Simulation results of ADS

fMHzC1=C2pFC3=C4pFS11dBS21dBBW3dB/f0 %S21 ( f0±10%)dBS21(2f0)dBESRΩ 22549.83.9–47.365–0.7257.972–18.225–14.602–125.3250.07 33820.43.9–20.831–0.6367.765–18.181–14.237–144.7360.10 5126.953.9–29.844–0.6177.401–19.836–14.946–125.2930.25

表6 调试频点数据

Tab.6 Debug frequency point data

CipFPIN11位电容码0为通/1为断频率码n频点MHz 全断8.37+3.911111111111250512 C110.4MA4P7446单管11111111110249510.8 C100.6MA4P7446单管11111111101248509.3 C90.8MA4P7446单管11111111011245506.7 C81.2MA4P7446单管11111110111242502.4 C71.5MA4P506单管11111101111234494.0 C62.4MA4P506单管11111011111220477.5 C53.9MA4P506单管11110111111195448.6 C46.8MA4P506单管11101111111160408.6 C310MA4P506单管11001111111108349.3 C211MA4P506单管1000111111164298.3 C111MA4P7464双管0000111111134264.3 C03.9接地 全通49.6+3.900000000000 0 225

表7 跳频滤波器大功率特性数据

Fig.7 High power characteristic data of frequency hopping filter

频率MHz功率放大器输出功率dBm滤波器接入后的插损dB 24049.71.5 41449.31.1 51249.50.7

表8 跳频滤波器特性测试数据

Fig.8 Characteristic test data of frequency hopping filter

频率MHzBW3dB MHzBW3dB %插入损耗dB驻波比 S11dB二次谐波dBc 220.315.26.81.1–20–70 243.717.17.01.2–20–72 265.717.06.41.4–20–75 285.518.06.31.5–20–78 307.820.06.51.5–20–80 325.622.06.71.5–20–85 348.022.06.31.3–20–86 369.020.65.61.4–20–85 408.030.07.31.0–19–83 430.331.67.31.1–18.7–82 450.631.06.90.8–20–78 479.033.56.90.8–20–78 492.834.47.00.8–20–74 510.036.77.20.7–20–74 520.037.47.20.6–20–73

4 结束语

本文介绍了可调滤波器的应用背景和国内外研制现状，重点介绍了VHF/UHF通信用LC可调滤波器的设计。文献[8]给出了30 MHz～3 GHz可调带通滤波器的典型设计数据。文献[7]提出了一种增强跳频滤波器二次谐波抑制的专利技术，本文给出了实验验证，可用于30 MHz~1 GHz开关电容式跳频带通滤波器的设计。

[1] CHEN J Y, TSAI H J, CHEN N W. Bandwidth reconfigurable microwave bandpass filter[C]//Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International. New York: IEEE, 2011.

[2] 雷瑶. 宽调谐高线性电调滤波器的研究[D]. 成都：电子科技大学，2011.

[3] 吴边.电调滤波器研究概述[R]. 西安：西安电子科技大学AEMC Group，2012.

[4] BOUHAMAME M, LOCOCO L, ROBERT S. Tunable RF filter: U.S. Patent, 9246453 [P]. 2016-01-26.

[5] Hittite Microwave Corporation. Ultra compact tunable MMIC filters for RF & microwave systems[EB/OL]. [2010-05-16]. http://www.Hittite.com.

[6] 甘本祓，吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M]. 北京：科学出版社，2006.

[7] 章锦泰，王倩倩. 一种新型跳频共址滤波器：中国，CN103997312A[P]. 2014-06-03.

[8] 章莉，章锦泰，王倩倩. 一种新型LC电调带通滤波器和LC电调带阻滤波器：中国，CN204425292U [P]. 2015-02-14.

Aplication and development of tunable filters

ZHOU Shuishan1，ZHANG Li2

( 1. CETC No.13 research institute, Shijiazhuang 050051, China; 2. Hongming Electronics Co.,Ltd, Chengdu 610051, China）

The application background and research status of tunable filter at home and abroad was reviewed. The design software of LC tunable filter for VHF/UHF communication was mainly introduced. The frequency hopping filter design and validation for the enhancement of secondary esonance wave restraint was given.

LC tunable filiter; VHF/UHF comunication; second harmonic suppression;design software；application; development

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.020

TN713

A

1001-2028（2016）09-0092-05

2016-08-19 通讯作者：周水杉

周水杉（1961－），男，河北邯郸人，高级工程师，主要研究方向为微波元器件、电子陶瓷及高端传感器, E-mail:lxqing9725@sina.com；章莉（1970－），女，江苏无锡人，硕士，高级经济师，主要研究方向为新型电子元件与组件，E-mail:maryli11@sina.com。

网络出版时间：2016-09-02 11:04:53 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.tn.20160902.1104.003.html

（编辑：陈丰）