高集成超宽带开关滤波组件设计

李新霞

(中国电子科技集团公司第13研究所 项目办，河北 石家庄 050051)

高集成超宽带开关滤波组件设计

李新霞

(中国电子科技集团公司第13研究所 项目办，河北 石家庄 050051)

摘要针对超宽带系统谐杂波抑制难、动态范围、灵敏度易恶化，提出了在变频前端采用高集成、超宽带开关滤波组件分段滤波，以提高整个系统的灵敏度，动态范围、选频、抗干扰等关键指标。设计了开关加滤波器组的方案，对8～18 GHz信号分为10段分别滤波的方式，并对滤波器和开关进行了设计仿真，实现了小型化、高可靠、电路控制速度快的高集成、超宽带开关滤波组件。实验结果表明，该电路噪声系数达14 dB，增益12 dB，相位一致性≤±10°，通道隔离度≥45 dB，试验结果达到预期目标。

关键词超宽带开关；滤波器；隔离度；带外抑制

随着无线通信中宽带通信技术的发展，超宽带开关滤波网络广泛用于频率合成器、发射机、接收机，要求选频信号频谱低杂散、快速跟踪频率变化、超宽带等性能。高集成、超宽带开关滤波组件具有高的带外抑制、高的隔离度，有效地提高了选频信号的频谱纯度[1]；开关切换时间在ns级，开关时间快，能快速跟踪频率变化；开关滤波器组由多路开关滤波器组成，通过开关组切换到所需的波段，能够满足宽带通信的要求。高集成、超宽带开关滤波组件设计的合理与否，对系统的噪声系数以及动态范围，线性度等其它关键系统指标的质量都会有所影响，会导致所处理信号质量恶化[2]。随着无线通信技术的发展，通信终端的小型化也在飞速发展。高集成、超宽带开关滤波组件电路主要朝着高集成、小型化、低成本、高频段、高可靠的方向发展。

1工作原理

1.1PIN开关

PIN二极管是开关滤器中开关电路通常采用的器件，开关响应时间由PIN二极管的响应时间决定，二极管的响应时间由载流子寿命、正向导通电流、反向电流等参数决定[3-5]。

PIN二极管组成的开关电路的基本结构为串联式、并联式两种。串联结构开关的插入损耗和承受功率主要取决于二极管正向偏置状态下的串联电阻(RS)，隔离度主要取决于PIN二极管的反向电容(CT)[6]。串联结构能提供较小的插入损耗，但在多个PIN管串联的情况下，由于二极管的两极均串联在传输线上，第一级二极管承受的功率最大，在大功率下可能烧毁。并联结构开关能够提供较高的隔离度和较小的插入损耗。二极管一端接传输线, 另一端接地, 并联结构相比于串联结构具有更强的功率承受能力。隔离度和承受功率主要取决于等效串联电阻RS，插入损耗主要取决于等效电容CT[7-8]。多个PIN管并联的插入损耗、承受功率及隔离度明显优于串联的性能[9-10]。但PIN开关并联结构排列间距为λ/4，应用频带比较窄，一般为f/10 ，而文中所设计的开关滤波器组为8～18 GHz，因此采用多级PIN二极管串联开关。

1.2开关滤波组件

高集成、超宽带开关滤波组件由两路开关滤波器组组成，分别为主路和辅路，两路通道的电路组成完全相同，且结构对称。高集成、超宽带开关滤波组件主路(辅路)通道由高通滤波器、输入单刀四掷开关、陶瓷滤波器组、低通滤波器、限幅器、放大器、开关驱动控制电路构成，工作原理如图1所示。

图1　高集成超宽带开关滤波组件主路(辅路)原理框图

高集成、超宽带开关滤波组件的频率范围为8～18 GHz，通过10路开关陶瓷滤波器来实现。例如当选频信号频率为8～9 GHz时，控制电路驱动第1路输入开关、第1路输出开关设置为导通，其它的输入、输出开关设置为截止，第1路开关及滤波器处于工作状态。其它路的滤波器由于相应的输入、输出开关截止而处于关断状态。

2电路优化设计

2.1滤波器的设计与分析

由高集成、超宽带开关滤波组件的功能可知，滤波器的设计是产品最重要的设计环节。由图2原理框图可知，高集成、超宽带开关滤波组件中单个通道单元包含13个滤波器：10个带通滤波器、1个高通滤波器和2个低通滤波器。滤波器的设计直接决定了开关滤波单元产品所能实现的指标[11-12]。

为满足高集成、超宽带开关滤波组件的结构尺寸要求，滤波器全部采用了陶瓷片滤波器，依据技术指标要求，对13种滤波器分别进行了设计。滤波器分段情况及指标要求如表1所示，带通滤波器仿真拓扑结构如图2所示。

表1　陶瓷滤波器技术要求

图2　滤波器仿真拓扑图

对13种滤波器分别进行了优化仿真，其中16.9～18 GHz带通滤波器仿真结果如图3所示。

图3　16.9～18 GHz带通滤波器仿真结果

2.2开关的设计与分析

开关电路是高集成、超宽带开关滤波组件的另一主要电路组成部分，开关电路首先需实现规定的控制逻辑功能，在此前提下应减小开关电路的损耗，使高集成、超宽带开关滤波组件得到最优的电性能参数[13-14]。

开关电路的实现可选用多种开关电路形式，级联开关的数量直接决定了开关电路的损耗[15-16]。

通过综合考虑开关损耗及开关电路形式，经过对电路的设计分析与比较计算，最终设计了最优化的电路形式：六级单刀四掷开关级联。此电路在保证功能实现的前提下，最大程度地简化了电路，电路形式如图1所示，开关仿真拓扑结构如图4，开关仿真结果如图5所示。

图4　单刀四掷开关仿真拓扑图

图5　开关插损和驻波仿真曲线

开关电路的控制电路也是开关电路的一部分，开关的控制电路选用中国电子科技集团公司第13研究所生产的开关驱动器NC2047F和NC2048F，与开关电路能够良好的匹配。

2.3限幅放大电路的设计与分析

限幅器选用了中国电科13所研制生产的限幅器单片。该器件损耗小、约在0.5 dB，抗烧毁功率大、连续波4 W以上，完全满足技术协议的耐功率指标要求。为保证高集成、超宽带开关滤波组件的增益及噪声指标，放大器的指标也尤为重要，图6是放大器的增益和噪声指标的曲线。通过对限幅器和放大器的选取和电路设计，开关滤波单元的增益、噪声及抗烧毁功率指标全部满足技术协议的指标要求。

图6　放大器的增益及噪声参数曲线

3试验结果与分析

表2　高集成、超宽带开关滤波器组测试结果

如表2所示，测试结果符合设计指标要求，但噪声系数、相位一致性指标并不理想。噪声系数在输入端加放大器会影响输入动态，因此只有通过改进输入端滤波器及开关损耗，改进方法：在不影响滤波器带内波动及带外抑制指标的前提下，对滤波器损耗进行优化仿真，研制低损耗、高抑制滤波器。相位一致性指标主要由电路中两路元器件的相位一致性决定，货架型原器件相位一致性较好，决定相位一致性的关键器件为电路中的定制件，改进方法：提高对定制件如高通、带通、低通滤波器及开关电路的相位一致性要求。

4结束语

高集成、超宽带开关滤波组件采用开关响应时间快的PIN二极管、小型化的MEMS滤波器，通过合理的分配滤波器指标及腔体布局，设计出隔离度高、带外抑制高、频带宽的高集成、超宽带开关滤波组件。实测值基本吻合设计方案、并验证了装配工艺的可行性。在研制过程中，通过增加各路间的屏蔽措施，解决了通道隔离高的难题。开关电路的频率范围较大，合理改变滤波器的频率和路数，便可形成系列化开关滤波器组产品。

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Design of a High Integration Ultra-wideband Switch Filter Component

LI Xinxia

(Project Office，The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

AbstractThe designed component plays a decisive role in the whole system, including sensitive, dynamic range, frequency selection, Anti-jamming and other key indexs. The importance, constituent, working principle, design difficulties and focus of the switch filter component are analyzed detailed in wireless communication system. An optimized design is made for the key features. The paper designs a miniaturization, high reliability and fast circuit control component, as well as testing and improving the scheme. According to the measurement ,we get results as follows: noise figure is 14dB, gain is 12dB, phase congruency≤±10°,channel isolation≥45dB,which all achieve the expected goals .By combining the theory with the actual experimental data, the thesis analyzes the results of the experiment and proposes the improvement of the existing scheme.

Keywordsultra wide band switch; filter; isolation; sideband rejection

收稿日期:2016-03-02

作者简介:李新霞(1965-)，女，高级工程师。研究方向：微波小整机设计制造以及项目管理。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.024

中图分类号TN713

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-082-04