一种电调谐滤波器的设计改进方法

彭志华，邹小平

(同方电子科技有限公司，江西九江 332005)

0 引言

随着电子对抗技术的不断发展，军用无线电通信对抗干扰的要求越来越高。目前，大多数接收机均在射频前端采用了固定带宽的带通滤波器组来提高其抗干扰能力［1］，然而，当接收频率范围较大时，会导致滤波器数量的激增，对设备的成本控制和小型化设计均带来不利因素。因此，一种更好的实现方法是采用电调谐滤波器，通过合理设计，可以工作在很宽的频率范围［2，3］。该滤波器的核心部件为变容二极管，通过控制变容二极管的反向电压来改变其电容值，达到改变谐振回路的中心频率，实现电调谐跟踪滤波功能。

1 常规电调谐滤波器特性分析

为提高选择性，电调谐滤波器通常采用双调谐电路形式。电路分为串联谐振和并联谐振2种，可通过电容或互感实现耦合。其中，串联谐振和并联谐振仅是电路形式有别，其原理和功能是相同的，为突出重点，以下仅就电容耦合的并联谐振电路进行详细分析。

1.1 常规的电容耦合型电调谐滤波器

图1是一种典型的采用电容耦合实现的电调谐滤波器等效电路图。其中，L1、C1和 L2、C2分别组成谐振回路，CM为耦合电容，实际使用过程中，C1和C2采用变容二极管取代。

图1 电容耦合型双调谐等效电路图

由图1可知，调谐回路的耦合系数为k=CM/，通常情况下，C1=C2，且C1、C2的值远大于 CM，故 k ≈ CM/C1。

1.2 常规电容耦合型调谐滤波器幅频特性［1］

为简化分析，并考虑与实际应用的符合性，令L1=L2=L，C1=C2=C，G1=G2=G，同时满足 C ＞＞ CM，根据基尔霍夫定律，可得到2个节点的电流方程为［4］:

由于2个回路具有相同的电路参数，即品质因数Q1=Q2=Q，广义失谐ξ1=ξ2=ξ，通过合并整理，上述方程可简化为:

通过上述推导，不难发现，调谐回路的耦合因子η是频率ω的函数。对照式(1)可知，当η＜1时，电路为弱耦合;当η=1时，电路为临界耦合;当η＞1时，电路为强耦合。因此，这种电容耦合型调谐滤波器的缺点是一旦耦合电容CM值固定后，随着滤波器中心频率的变化，耦合因子也随之发生变化，双调谐回路将产生一个从弱耦合到强耦合的变化过程［5］。图2给出一个设计实例，当调谐频率范围200～500 MHz，耦合电容按350 MHz优化取值，通过ADS建模进行仿真［6］，可以清晰地看到这种影响。

图2 电容耦合型滤波器调谐特性

在弱耦合条件下，滤波器的损耗变得很大，而电路处于强耦合时，滤波器的带内波动又变得不可接受，因此它只适合在调谐范围较小时使用。

2 电路设计改进

通过上述分析，可以得知，如何使耦合因子在调谐振频率发生变化的过程中保持一个相对稳定的值，是决定滤波器性能的关键因素。为解决这个问题，将调谐滤波器电路改进为图3的形式。电路仍采用电容耦合方式，但耦合电容采用变容二极管取代，其中，输入输出设计成电感抽头方式，以提高谐振回路Q值;调谐用的变容管 D1、D2、D3和 D4的偏置电压由VT1提供，耦合用的变容管D5和D6上的偏置电压由VT1和VT2相减获得，VT1和VT2则由DAC预置产生。这种改变的好处是非常明显的，因为耦合电容值可随工作频率改变而进行灵活调整，从而避免了耦合因子变化过大的不足。

图3 耦合电容可调整的调谐滤波器原理图

在实际使用过程中，为了改善IMD特性，调谐用的变容二极管可由多个具有不同指数特性的二极管并联组成［7-8］，这是一个有趣的事实，许多文章对此已有论述，这里不再讨论。通过ADS建模仿真，在200～500 MHz频率范围内其调谐特性如图4所示。可见，当中心频率调整时，其通带带宽几乎保持不变，这大大提高了滤波器的选择性能。

图4 改进后的滤波器调谐特性

3 结束语

电调谐滤波器由于其高性能和体积小等特点，一直是军用无线通信的研究热点之一，同时也是未来软件无线电实现的关键。使用这种改进后的电路形式，在20～1000 MHz频率范围内采用分波段的方式成功实现了多倍频程电调谐滤波器的研制，并已经应用在某型超短波监测接收机中，实际测量与仿真结果具有较好的一致性。另外，其优秀的通带特性满足对滤波器带宽要求较高的环境下使用。

［1］林肖辉.提高接收机无虚假响应动态范围的研究［J］.无线电通信技术，2009，35(3):49-51.

［2］王洪胜.225MHz-400MHz压控调谐滤波器的实现［J］.电子对抗，2007，114(3):35-38.

［3］李宏军.微波电调带通滤波器的研究［J］.半导体情报，1999，36(3):58-60.

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［5］刘伟，谢显中.电压调谐带通滤波器的设计研究［J］.重庆邮电学院学报，2004，16(2):67-70.

［6］李建群.用ADS实现电调谐滤波器的设计［J］.移动通信，2004，增刊(8):115-117.

［7］吴志田.变容二极管的应用［M］.北京:国防工业出版社，1989.

［8］BROWN A R，REBEIZ G M.A Varactor-Tuned RF Filter［J］.IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques，2000，48(7):1157-1160.