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1.6~30 MHz电调滤波器的设计与实现

2016-08-18张振宇

无线电工程 2016年8期
关键词:电调控制电路二极管

张振宇

(宝鸡烽火诺信科技有限公司,陕西 宝鸡 721006)



1.6~30 MHz电调滤波器的设计与实现

张振宇

(宝鸡烽火诺信科技有限公司,陕西 宝鸡 721006)

基于短波通信系统数字化、小型化需求,提出了1.6~30 MHz电调带通滤波器的设计与实现方法。该滤波器采用双极点调谐滤波,变容管并联谐振,用电感进行耦合的线路技术,实现了外部电压控制(电调谐)滤波器频率的要求。采用将滤波器按频率分段设计,波段开关控制信号输入输出,实现了滤波器宽频率范围同步调谐的目的。同时,各分段滤波器设计集成在一块印制板上,滤波器整个体积仅有40 mm×30 mm×8 mm。仿真结果表明,电调滤波器控制简单、调谐方便,性能指标优良,其设计方法可行。对设计完成的实验品进行测试,结果与仿真相吻合,同时进一步验证了数字控制的多样与灵活性。

滤波器;电调谐;同步调谐;波段控制;并联谐振回路

0 引言

电调滤波器是一种新型的射频带通滤波器,是现代数字通信、调频技术中不可缺少的关键器件[1],尤其是军用软件无线电通信系统提高抗干扰能力的优选器件[2]。

电调滤波器因其体积小、工作频带宽、调谐速度快、设计灵活的优点[3],近年来在通信系统射频及接收领域得到了广泛的应用与发展。但目前大多数电调滤波器,因调谐元件的特性及调谐电压的限制,电调频率范围较窄,当接收频率范围较大时,只能增加滤波器的数量,对设备的成本控制和小型化设计均带来不利影响[4]。因此,在上述条件不变的情况下,具有宽频率调谐范围、小体积特性的电调滤波器设计是必然趋势。

本文延用了常规电调滤波器的设计理念,通过加入数字控制[5]电路,完成了一种宽频率调谐范围的电调滤波器,频率范围1.6~30 MHz,体积40 mm×30 mm×8 mm。此电调滤波器应用于短波通信系统。

1 设计思路与设计原理

1.1设计思路

1.6~30 MHz电调滤波器由于频率调谐范围宽,通信系统使用时所提供的调谐电压不能满足频率的全覆盖。因此,采用分段控制的方式,将1.6~30 MHz的频率分为3段,分别是1.6~4 MHz、4~10 MHz、10~30 MHz,3段作为3个单独的电调滤波器进行设计,工作时由控制电路根据信号选通某一段。

电调滤波器采用LC电调谐滤波器设计方法,通过改变可变电抗元件变容二极管的电容量改变频率信号,进行电调滤波,实现同步调谐滤波器的功能。根据双极点调谐带通滤波器的设计方法[6]及其性能指标如带宽、插入损耗、矩形系数、驻波比等的综合要求对滤波器进行优化设计。

1.2设计原理

按照上述思路,1.6~30 MHz电调滤波器的设计原理框架如图1所示。

图1 电调滤波器设计原理

滤波器按频率分3段,作为3个滤波器单元存在于电路中,可独立设计调试。每个滤波器单元由电调谐电路实现其频率调谐范围,电调谐电路采用LC并联谐振回路,这里的“L”值是固定的电感线圈,而 “C”值的变化实现了频率的变化。通常情况下,电路中用变容二极管实现此功能,因此,变容二极管在电调谐电路中尤为重要。本文设计中,采用3种不同的变容二极管组,分别接入各自的滤波器单元组成谐振电路,通过外部调谐电压的调谐,形成各频率段电调滤波。由于1.6~30 MHz电调滤波器频率低,电路中要用到的电感电容值就比较大,因此,单个变容二极管解决不了问题,调谐振电路中必须采用若干个变容管并联组成二极管组,这样,既保证了电调的频率范围,又降低了灵敏度,使电调滤波器的动态范围更好。图1中,3个分段滤波器由输入输出波段控制电路连接起来,工作时,控制电路根据射频输入信号来选通某一路进行。那么,控制电路就具有识别信号的功能或者有接收指令的能力,通过它的调度,滤波器实现了1.6~30 MHz全频率范围的电调滤波。电子开关就具有这种功能,可以选择有3个以上输出口的电子开关作为控制电路;另外,也可以采用PIN开关二极管导通方式,即3对PIN开关二极管分别接入各段滤波器入/出端,正极接射频入/出并处于高电位,负极接2路,一路与滤波器相接,另一路接入多通道电桥驱动器,驱动器初始状态各通道高电位,工作时,利用通道的低电位来选通某一段。本文设计中,电调滤波器控制电路主要以电子开关方式来进行,PIN二极管的控制电路方式,设计过程复杂且精细,对元器件参数要求比较高[7],在此只做简要介绍。

2 设计的实现

2.1电子开关的选择与应用

选择HittitE公司的HMC241QS16四选一子开关作为滤波器的波段控制电路。此开关是双排共16引脚的表面贴封装模块,有1个信号输入脚及4个输出脚,TTL/CMOS控制引脚A;B及电源脚,其余脚均为地。工作时,开关加5 Vdc电源,通过A、B端的高、低电平选择接通某一路。A、B口的低电平为0~0.8 Vdc,高电平2~5 Vdc,分4种状态控制4个开关的通断。本文设计中,2个电子开关的RF1~RF3分别与3段滤波器的射频输入与输出相连,通过A、B的状态选通一段工作,如图2所示。电子开关的电源,A、B控制口加入了滤波电路,设计时,2个开关的这3个引脚对应相连,共用一个电源和电平信号,同时工作和选通。

图2 电子开关波段控制电路

2.2变容管电调谐电路的确定

采用变容二极管与电感并联谐振回路如图3所示,调谐电压通过偏置电阻R加到变容管上,串联电容C使交流电路闭合,同时把变容管的负极与并联电感L隔离开,从而使调谐电压能正确加载[8]。电路中,串联电容C取值要大,保证正常调谐,R取值小一些,减小调谐时间。本设计中,C值取2个103电容并联,R值取几百欧。

图3 变容管电调谐电路

2.3电调滤波器的设计与调试

设计中电调滤波器采用双极点调谐滤波,变容管并联谐振回路,用电感进行耦合[9]。各分段滤波器可单独调试,也可接入电子开关控制电路选通后调试。但在调试前,利用Agilent公司的ADS软件进行仿真以确定电路中的电感电容值,无疑是设计的最佳途径。

2.3.1滤波器的电路仿真

在ADS仿真软件环境下,放入双调谐带通滤波器电路图,按设计经验给电路中电感、电容赋初始值,加S-PARAMETERS参数,滤波器两端50 Ω阻抗参数,就可以进行仿真调试了。电调滤波器仿真调试过程中,各分段滤波器按频率范围的最小与最大频率进行仿真,电感微调后固定不变,变换电容逼近主频并确定电容值范围。这样实际调试中,变容管的参数及数量就可以通过计算得到。以1.6~4 MHz滤波器为例进行仿真,分别以1.6 MHz与4 MHz为主频进行。仿真结果如图4和图5所示。

图4 中心频率1.6MHz时,C=1 300 pF

图5 中心频率4MHz时,C=207 pF

2.3.2滤波器的调试与测试

通过仿真将电调滤波器的电感和电容值进行了确定,以此为参考,选合适的磁环绕制电感线圈,测试电感量以逼近参考值。变容管的选定比较麻烦,既要考虑电容的变化范围,又要考虑调谐电压。以1.6~4 MHz滤波器为例,电容范围1 300~207 pF,外调电压1~12 V,为了使电调滤波器的动态范围好点,就要尽量降低电调的灵敏度。因此所选变容管的变容比要小,数量上当然就多了。本设计中,选择了SIEMENS公司的BB640变容二极管,此管子在反向1 V时,电容值大约72 pF,12 V时,12 pF左右。根据这个参数,1.6~4 MHz滤波器单极就要用18个BB640,双极点有36个这样的管子参与调谐。将测试好的电感线圈及BB640变容管装配到电调滤波器的印制板上,印制板各引脚焊光线插入专用测试夹具,波段控制电路A,B加(0,0)选通RF1,加调谐电压调试滤波器。主频1.6 MHz与4 MHz时滤波器调试完成的效果图如图6所示。

图6 滤波器调试完成效果

从图6可以看出,1.6~4 MHz电调滤波器这2个点的插损在-4 dB以内,-3 dB带宽5%左右,驻波比小于2,调谐电压1.05~11.5 V。测试矩形系数小于7,2f0抑制-60 dB左右。改变调谐电压测试其他频率点,也符合上述指标要求。因此,这就是1.6~4 MHz电调滤波器性能指标。可按同样方法对另2段滤波器进行仿真、调试并测试,会得到同样的结果,因此上述这些指标适用于整个电调滤波器。

2.4设计及调试需要注意的问题

电调滤波器设计与调试过程中,根据实际需求及应用环境,应注意以下几点要求。

① 滤波器仿真时,插损很小,实际测试时却高达-4 dB,这是由于电子开关接入损耗了1~1.5 dB,如果有更高的要求,可选择其他控制方式,如前面介绍的PIN二极管控制方式。

② 调谐电压范围不同时,如1~10 V或1~14 V,变容管的型号、数量就不同。要选择高Q值、一致性、线性度好的管子。装配完成后,要对2组变容管进行总容量测试,否则调试时出现问题就比较麻烦。磁环的选择也很重要,既要保证高Q值,而且磁导率一致性一定要好。美国微电子公司的磁环就是不错的选择;另外,元器件的温度特性也要考虑进去,以保证滤波器宽温度的工作范围。

③ 滤波器调试时,调谐电压一般不能调到极限以兼顾高低温时频率的变化。低温时,滤波器频率会升高,调谐电压就会低一点,高温时则相反。如1.6~4 MHz电调滤波器,调谐电压1.05~11.5 V。

④ 电调滤波器外调电压在设计时可单独分3路供电,也可用一路电源给3段滤波器同时供电。

⑤ 电调滤波器总体外形尺寸小,仅有40 mm×30 mm×8 mm。因此,印制板的设计要合理[10]、紧凑。磁环的选择要考虑到体积的影响。

3 电调滤波器的特点及应用

本文所述的1.6~30 MHz电调滤波器是通过内部数字控制与外部电压调谐方式来实现宽频范围的滤波器,具有控制方式灵活、可控频率范围宽、体积小和调试简单的优点,但也有输入功率小的缺点。因此,本文设计适用于小功率、小型化需求的短波通信应用系统。

4 结束语

提出了1.6~30 MHz电调滤波器的设计及实现方法,并用ADS仿真软件对此方法进行了可行性验证。对设计完成的滤波器进行了实测与应用验证。测试结果表明,该滤波器达到了电调谐中心频率的要求,实现了宽频率范围同步调谐的目的。经应用验证,滤波器性能指标也满足了短波通信应用系统的使用要求。本文的设计方法对其他宽频率范围电调滤波器的实现有借鉴作用。

[1]李程,孙玉发.一种可用于卫星和空间的微波滤波器[J].无线电工程,2011,41(6):40-42.

[2]罗杰,熊祥正,廖成.应用于WLAN的加载对称H型枝节的双通带滤波器[J].微波技术,2015,31(5):69-72.

[3]杨赤如,刘亚宁,程晓阳.LC带通电调滤波器的设计[J].真空电子技术,2009,51(6):44-47.

[4]彭志华,邹小平.一种电调谐滤波器的设计改进方法[J].无线电通信技术,2012,38(3):62-64.

[5]张建伟,展雪梅.FIR数字滤波器的设计与实现[J].无线电工程,2010,40(6):54-56.

[6]森 荣二(日)著.LC滤波器的设计与制作[M].薛培鼎,译.北京:科学出版社,2008.

[7]宋波,陈江,于再兴.跳频滤波器初探[J].军事通信技术,2001,22(1):68-70.

[8]林彬,张玉兴.电调谐LC滤波器的研究与设计[J].现代电子技术 2008,31(4):119-121.

[9]尤志刚,林先其,邓立科.电调滤波器的研究与设计[J].通信技术,2011,35(1):168-169.

[10]聂磊,汪洋,王迎节.电源滤波器对电子设备EMC的影响分析[J].无线电工程,2010,40(7):35-39.

张振宇男,(1972—),工程师。主要研究方向:振荡器、滤波器等器件的设计与制造和电子线路设计。

Design and Implementation of 1.6~30 MHz Electrically Tunable Filter

ZHANG Zhen-yu

(BaojiFenghouNuoxinTechnologyCo.,Ltd,BaojiShaanxi721006,China)

Based on the requirement of HF communication system digitalization and miniaturization,a feasible design and implementation method of 1.6~30 MHz electrically tunable band-pass filter is presented.The filter uses the inductively coupled circuit technique,employing the two-pole varactor diode parallel resonance to meet the requirement of external voltage frequency control.To achieve synchronous tuning in a wide frequency range,the filter adopts a segmented design based on frequency bands,and the band switch controls the in/output signals.Simultaneously,the segmented filter is integrated into a printed circuit board with a size of only 40 mm×30 mm×8 mm.The simulation results show that the electrically tunable filter has the advantages of easy control,convenient tuning and excellent performance,and the design method is feasible.The test result is consistent with the simulation data,which further verifies the diversity and flexibility of digital control.

filter;electric tuning;synchronous tuning;band control;parallel resonant circuit

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.15

2016-05-19

TN713+.5

A

1003-3106(2016)08-0061-04

引用格式:张振宇.1.6~30 MHz电调滤波器的设计与实现[J].无线电工程,2016,46(8):61-64.

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