基于DTC技术可调谐带通滤波器研究设计

江燕 廖伟 张海玉

摘要：可调谐滤波器作为设备的重要组成部分，它设计好坏直接影响了微波设备的性能指标。本文设计了一种基于DTC技术的420MHz～520MHz可调谐带通滤波器，阐述了该滤波器的原理以及优点，进行了仿真和制作，仿真结果、测试结果与设计要求吻合，该设计方法具有较高的应用价值。

关键词：DTC技术;双调谐技术;ADS仿真软件。

0引言

滤波器从杂乱的信号频谱中提取有用信号频率，滤除工作频段以外的无用信号，可以增强设备抗干扰能力，有效提高设备灵敏度性能，在调频电台、无线电监测、电子对抗等军事装备中广泛应用。近年来，随着移动通信的发展，各种电磁噪声、电磁干扰叠加在有用电磁频谱之上，造成设备信号失真、性能下降，研究微波可调谐滤波器具有非常重要的意义和实际应用价值。

对于微波可调谐滤波器，除了频率、带宽、插损、回波损耗等性能指标，调谐速度、调谐范围等指标同样重要，而调谐速度指标取决于滤波器的调谐方式。随着新技术和新材料在微波可调谐滤波器中的应用，现代微波可调谐滤波器分为YIG（Yttrium-Iron-Ga rnet）滤波器、BST（Barium Strontium Titanate）滤波器、变容二极管滤波器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）滤波器等。YlG滤波器采用磁调，可调范围宽，但是体积大，调谐速度慢，成本高;BST滤波器品质因素低，线性度较差：变容二极管滤波器调谐速度快，然而线性度较低;MEMS滤波器体积小，调谐速度快，但是需要复杂的偏置电路，工艺集成度要求较高。

随着CMOS微电子集成工艺的迅速发展，半导体数字可调电容DTC（Digitally Tunable Capacitor）被用于微波可调谐滤波器中，本文介绍的就是基于DTC技术的420MHz～520MHz可调谐带通滤波器。

1组成及原理

1.1组成

可调谐带通滤波器由DTC和空心电感体构成，电路组成如图1所示。

1.2基于DTC的带通滤波器原理

DTC技术是经过长期发展目前已得到成熟应用的技术，其利用了MEMS（微机械机电系统）来实现内部电容的改变，在天线可调匹配网络等方面应用广泛，具有高Q值、高线性度、承受功率大、易编程控制、易变电容阵列且成本低、体积小、功耗低等特点，大大优于变容管等器件的性能。

基于DTC的可调谐带通滤波器采用数字可调电容来实现并联LC谐振器，具有相对带宽较窄、插入损耗低、体积小、调谐速度快、承受功率大和制作容易等优点。

利用符合MIPI标准的SPI接口对可调谐滤波器进行全数字调控，电路原理图如图2。

1.2.1原理设计

谐振回路采用LC集总参数模型设计，整个回路封闭在屏蔽空间内，减少相互干扰。通过改变谐振回路中的电容值来达到换频目的。由于要实现全频段覆盖，因此电容的选定有一定要求：

（1）可调电容极值要能够覆盖频段高、低频率;

（2）最小可调电容要能够保证滤波频段内不出现遗漏频点。

本谐振回路中的电容采用数字可调电容实现，其性能指标完全满足设计要求。主要性能如表1所示。如图1所示，谐振回路采用双调谐电容耦合方式。双调谐为完全对称电路形式，理论要求两端电感值和电容值均相等，实际会存在偏差导致滤波器波形变形，降低滤波器指标，因此在设计和调试过程中需尽量减少误差。设计时减少误差方式主要有理论计算和ADS仿真计算。

LC带通滤波器的指标主要取决于器件L和C的无载Q值，Q值越高带通滤波器性能指标越好，因此在设计时尽量选取具有较高Q值的L和C。本滤波器设计时，电感L选取了Spring公司的空心线圈产品;电容C采用的是DTC产品，其Q值特性如图3所示。从图3中可知电容值越小时Q值越高，因此在满足性能指标要求情况下尽量选取容值较小部分。

1.2.2ADS仿真

综合考虑设计要求后，采用了分离元件与DTC电容搭配设计方式，根据滤波器的衰减特性，确定双调谐谐振回路可以满足设计目标。

利用ADS仿真软件建立如图4所示的原理仿真图，并得到如图5、图6所示的数据结果，可知ADS原理仿真结果满足设计要求。

1.2.3理论计算

由于双调谐回路无载Q值和耦合度适配存在频带范围限制，同时依据选用的DTC器件WSl 050的电容值范围.从而可以通过如下公式计算：

说明：fl为频段内最低频率;fu为频段内最高频率;AC为频段内最大切换电容差值（设计规划值）。

2实际设计

2.1实物设计

根据设计要求其频率较高、承受功率大的特性，因此需要注意以下三项：

1）材料选择：基板材料实物设计采用的是RogersR04350B的板材，其具有以下特点：

a）介电常数比较小，减少滤波器损耗;

b）该板材为陶瓷板材，有利于器件散热。

2）电路设计和布板：双调谐回路为对称式电路，在设计时应尽量保证输入/输出电路对称;另外，由于设计频率较高从而各器件布局时不要间隔距离不宜过大;

3）WS1050容值选择：由于容值变化范围内Q值差异较大（如图3所示），从而使用时选取Q值较高的电容区间使用。

2.2实物测试指标

依据上述设计，在实物调试过程中存在一些偏差但不影响整体性能。

采用Agilent矢量网络分析仪对滤波器进行了调试和测试，得到如图7～图11所示的实物测量曲线和如表2所示的WS1050设置电容值。由此结果可知，本设计方案已经达到设计指标要求。

由于分布参数和WS1050内部电容值的差异导致设置电容值不是完全对称，具体设置容值如表2所示。

3设计目标

（1）频率：420MHz～520MHz;

（2）最大输入功率：1W;

（3）驻波比：≤2.O;

（4）1dB带宽：≥5%;

（5）插损：≤2.5dB;

（6）选择性：≥10dB（偏离fo+2MHz以外）;

（7）工作温度：-25℃～55℃。

（8）尺寸：25mm×20mm×7mm（长×寬×高）。

4结论

本文设计的微波可调谐滤波器基于DTC技术，具有体积小、成本低、承受功率高、调谐速度快和电路简单等优点，适应现代日益复杂的电磁环境要求，满足射频和微波通信领域中器件小型化、高性能要求，有着非常广泛的应用前景。