一种C波段大功率电调滤波器设计

2019-04-20李晓东蒋廷利邱海莲

压电与声光 2019年2期

关键词：电调执行机构频点

魏强,李晓东，王彬, 蒋廷利，周雨，邱海莲

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060；2. 西南大学电子工程系，重庆 400715；3.云南省机电一体化应用技术重点实验室云南省先进制造技术研究中心，云南昆明 650031)

0 引言

现代武器系统面临的电磁环境日趋拥挤、异常复杂，频率捷变是电子抗干扰最主要的技术手段，电调滤波器是实现抗干扰微波系统的重要部件[1-2]。

综合文献[3-4]分析，对于U/V、L频段的电调滤波器报道较多，而对于C波段和更高频段的电调滤波器报道较少。

目前电调滤波器设计存在的难点有：

1) 滤波器失谐问题[5-7]。如何解决滤波器相对带宽随频率变化而发生显著变化的问题。

2) 伺服机构控制精度问题[8]。如何解决运动机构微行程、高精度、重复性的问题。

在工程应用中，还需解决温度、振动冲击等多种因素造成的频率漂移、误差问题。

本文介绍了一种恒定带宽耦合机构和运动执行机构的设计方法，并在此基础上完成了一款大功率C波段电调滤波器的研制，实测结果和理论仿真吻合，满足工程所需。

1 电调滤波器设计

电调滤波器的频率为4 400～5 000 MHz，带宽≥40 MHz，插入损耗≤1 dB，(f0±100 MHz)(f0为中心频率)带外抑制≥50 dBc，承受功率≥400 W，调频步进为10 MHz。高带外抑制和大功率是本滤波器的设计难点。

C波段电调滤波器有波导、同轴腔、钇铁石榴石(YIG)磁调3种实现方式[9]。YIG磁调滤波器性能优良，但其耐功率低。

技术指标要求调谐频率为4 400～5 000 MHz，对应波长变化0.82 mm。若采用λ/4(λ为自由空间波长)同轴腔，调谐行程为0.2 mm。若采用BJ48波导谐振腔，通过调谐销钉从波导H面插入，仿真计算，采用直径为∅10 mm的调谐销钉，其调谐行程为27 mm，可覆盖的频率为4.3～5.1 GHz。与同轴腔方案相比，从调谐精度上看，波导的调谐行程较长，调谐精度低，易工程实现。

此外，波导滤波器的峰值功率容量(介质为空气)为

(1)

式中：a、b分别为矩形波导截面长和宽；E为空气击穿电场强度。由式(1)可估算BJ48波导谐振腔的最大功率容量为467 kW，远大于相同尺寸同轴腔的承受功率。

采用KQ变换法[10]，四阶切比雪夫滤波器低通原型参数为g0=0.712 8，g1=1.200 3，g2=1.321 2，g3=0.647 6，g4=1.100 7。通过网络变换，实现此滤波器的拓扑结构如图1所示。

图1 滤波器网络拓扑结构原理图

图1中,各个腔间耦合系数Kij、谐振回路中的电感L、电容C、电阻R分别为

(2)

(3)

(4)

式中：BW为滤波器的绝对带宽;Q0为谐振回路的品质因数。采用从图1求出的耦合系数Kij作为耦合结构仿真理论值。

1.1 腔间耦合结构设计

由式(2)可见，当腔间耦合系数Kij为定值时，随着频率的升高，BW也应增大。理想的电调滤波器需要设计一种耦合结构，在整个调谐频率范围内，保持BW为定值的条件下，使Kij与中心频率f0的变化成反比，即要求Kij随f0的升高而降低，才能达到带宽恒定的目标。

物理结构耦合系数Ksim可以利用本征值计算公式求得，即

(5)

式中f1、f2为软件求得的2个本征模频率值。

定义Kij与Ksim之差的绝对值为ΔK，则有

ΔK=|Kij-Ksim|

(6)

通过给定的恒定滤波器带宽BW来确定Kij为频率的函数，即Kij(f)，并以式(6)作为目标函数，寻找合适的物理耦合结构，使ΔK恒趋近于0，解决失谐问题。

E面金属膜片滤波器是由在矩形波导宽边插入与E面平行的金属膜片和矩形波导共同构成，金属膜片起耦合作用，相邻膜片间构成谐振腔。通过改变这些金属膜片高度或宽度，实现集总元件(电容或电感)，图2为在矩形波导中插入电容、电感膜片的物理结构及其等效电路。图中，δ为膜片的厚度,B为电导，Y0为输出导纳。

图2 波导滤波器电容、电感等效耦合结构

传统E面波导滤波器耦合结构通常只采用单一的电感或电容膜片，膜片厚度、位置偏置结构参数与滤波器的中心频率、通带带宽有密切的联系[11]，不能够实现宽范围调谐。

通过分析E面波导滤波器耦合理论和仿真计算，最终选定的腔间耦合结构如图3所示，这种耦合结构由全高电感膜片和半高电容膜片共同构成，满足式(6)要求，确定耦合结构尺寸的初值。

图3 恒定带宽混合耦合结构

1.2 滤波器设计

滤波器由耦合结构和谐振腔级联而成, 如图4所示。

图4 波导滤波器结构剖分

将滤波器拆分为耦合结构参数仿真、谐振器长度仿真、滤波器整体仿真3个步骤。

1) 耦合结构参数仿真。按照图3所示结构建模, 仿真其在中心频率4.7 GHz处的传输系数S12值，直到其S12的仿真结果与理论数据相符, 求出耦合结构的初值。

2) 谐振器腔体长度仿真。根据耦合结构的尺寸建立谐振器模型, 调整谐振器的长度，使单腔谐振器的谐振频率与所要求的滤波器通带中心频率一致, 即可以算出谐振器的长度。

3) 滤波器整体仿真。把所有的耦合结构和谐振器结构交替级联起来(见图5)，利用场路结合、协同仿真[12]的方法, 对滤波器进行整体仿真优化, 完成滤波器设计。

图5 波导滤波器协同仿真

图6为波导滤波器仿真频响。仿真优化结果表明，在4.4 GHz、4.7 GHz、5 GHz 3个频点，带宽分别为47 MHz、43 MHz、45 MHz，偏离中心频率100 MHz，抑制度分别为55 dB、65 dB、65 dB，在整个调谐频段内带宽变化≤5 MHz，驻波、抑制等指标满足要求。

图6 波导滤波器仿真频响

2 执行机构软硬件设计

2.1 执行机构硬件设计

为满足设计指标，要求电调滤波器伺服机构位置控制灵活，响应快，定位准确。直流伺服系统存在维护费高,堵转易烧毁及控制复杂等问题。交流伺服系统维护性低，控制技术成熟，但成本较高。步进电机伺服系统有可靠性高、性价比高、便于计算机控制等优点。因此，采用步进电机作为执行机构硬件首选。

通过理论仿真，得到调谐螺钉行程和频率关系，即频率变化10 MHz，调谐活塞变化0.45 mm，且在调谐范围内，二者近似为线性关系。因此，除对运动部件的加工精度有较高要求外，还需合理设计执行机构才能满足要求。图7为执行机构运动控制系统硬件组成[13]。

图7 控制板硬件构成

主控单元通过UART数据接口向伺服控制系统单片机发送频率相关的配置信息，经过处理将频率值转化成步进电机运动参数，控制执行机构运动到相应位置，从而实现选频功能。驱动放大器驱动步进电机动作。机械限位开关限制内导体的运动范围，而光电开关确定内导体的运动零点位置。滤波器腔体和运动机构为机械结构件，性能的调整只能依靠存储的数据，而温度环境的变化会改变滤波器性能，因此，在运动控制系统中增加了温度补偿，使温度变化引起的频漂得到抑制，提高了系统的精度，也增加了系统的环境适应性。主控单元实物如图8所示。

图8 控制板实物

运动机构零点决定了整个滤波器的控制精度。零点的确定采用了初零、细零和步进电机机械零点三级控制方法，实现了执行机构运动零点的唯一性，提高了滤波器的准确度。当调谐杆经过机械零点时，零点位置触发电路将输出脉冲信号，处理器接收到该脉冲信号，然后从该机械零点开始计数，直到调谐杆运动到指定步数，电机停止，调谐完成。从零点位置开始到指定位置，要经3个阶段：

1) 低速寻找零点。寻找机械零点时，电机转速低，寻找起始位置零点。

2) 恒定速度运行。为提高系统响应速度，必须在较短时间内运动到指定位置，所以，从零点开始加速到最高速度后，以最高速度运行一定距离。

3) 以低速运动到指定位置。当调谐杆运动至指定位置前必须减速，以防过冲，降低控制精度。

2.2 执行机构软件设计

运动控制系统的控制策略和控制方法都是通过软件实现的，要达到理想的运动控制效果，控制软件的设计至关重要。滤波器控制软件由初始化函数、运动函数、复位函数组成，程序框图如图9所示[13]。

图9 滤波器控制软件流程框图

当系统上电复位后，对系统各部分进行初始化，然后等待上位机发送调谐指令。当接收到一条完整的调谐指令后，根据协议计算出频点，如果频点在规定范围内，读取存储器中该频点所对应的步数。存储器中只存放了频点为整数兆赫兹所对应的步数，当频点为非整数兆赫兹时，采用线性插值算法，根据前、后频点的步数计算出频点所对应的步数。当电机运动结束，调谐完成，等待下一次调谐指令。

3 实验结果

根据上述设计思路, 对电调滤波器进行了实物加工, 使用Agilent E5071C网络分析仪进行测试。在室温25 ℃下实测结果如图10所示，3组曲线分别对应f0为4 400 MHz、4 700 MHz、5 000 MHz时的频响、驻波特性。在整个调谐过程中，3 dB带宽≥40 MHz，插损≤0.6 dB，驻波≤1.5。