体声波滤波器群时延波动的两种计算方法

2020-09-03任万春

压电与声光 2020年4期

袁靖，高杨，任万春

(1.西南科技大学信息工程学院, 四川绵阳 621010；2.西南科技大学微系统中心, 四川绵阳 621010)

0 引言

随着无线电技术的迅速发展和无线电设备应用领域的扩大，通信系统对滤波器性能提出了更高的要求[1]。与声表面波(SAW)滤波器和介质滤波器等相比，虽然体声波(BAW)滤波器具有体积小，品质因数(Q)值高及带外抑制好等优势，但也需要同时满足现代通信系统对BAW滤波器时域特性的高要求[2-4]。因为信号通过BAW滤波器后，BAW滤波器的非理想相频特性会使信号产生相位失真，这些失真会对通信系统的性能产生严重影响[5]。为了尽可能使带内信号通过BAW滤波器不失真，需要BAW滤波器有线性的相频特性，即BAW滤波器群时延波动尽可能小[6],因此需要对BAW滤波器群时延波动进行准确计算，以便根据计算结果对其性能进行评估和后续的改进。

BAW滤波器群时延波动表示为通带内群时延最大值和最小值的差。群时延可通过矢量网络分析仪测试后导出的S参数计算得到。为了从测得的S参数计算BAW滤波器群时延波动，本文分别给出了在ADS、MATLAB中计算BAW滤波器群时延波动的两种方法，并将一组测得的BAW滤波器的S2P文件分别导入ADS、MATLAB中进行计算，同时对两种方法进行对比，得到的结果基本吻合。

1 MATLAB中计算方法

1.1 S2P文件读取

首先需要创建一个m文件，m文件名和输入函数名一样都为“readS2P”；然后定义function函数和输入函数；接着找到S2P文件中数据开始存储的行；最后读取S2P中的每个频率点及对应的S参数的幅值和相位。S2P文件读取部分程序如下:

function [freq,S,magZ,angZ] =

readS2P(m,a,b)

fid = fopen(m);

tline = fgetl(fid);

i=0;j1=0;

while ischar(tline)%

if tline(1)==′!′

i=i+1;

j1=i;

elseif tline(1)==′#′

i=i+1;

else

break;

end

tline = fgetl(fid);

end

data=textread(m,″,′headerlines′,i);

freq=data([1∶1∶22000],1);

1.2 群时延波动计算

群时延波动计算同样应先创建m文件，m文件名和输入函数名一样都为“Filter_Measure”；然后定义function函数和输入函数；接着调用“readS2P”文件，并根据群时延的定义,编写群时延波动的计算程序。部分程序如下：

function [Daiwaiyizhi1]=Filter_Measure1(m)

[freq,S,Mag,Ang]=readS2P(m,2,1);

warning(′off′)

Ang=(Ang<0).*(Ang+360)+(Ang>0).*Ang;

AngPi=Ang/180*pi;

AngPi=AngPi(((freq<(2094+3.1)*1000000)&(freq>(2094-3.1)*1000000)));

oumiga=2*pi*freq;

oumiga=oumiga(((freq<(2094+3.1)*1000000)&(freq>(2094-3.1)*1000000)));

Qunyanshi=-diff(AngPi(1:1:end))./diff(oumiga(1:1:end))*10^9;

Qunyanshi1=max(Qunyanshi)-min(Qunyanshi);

str=[′....5.群时延波动=′num2str(Qunyanshi1)′ns....′];

disp(str);

end

1.3 数据输出

首先需要读取测试数据文件夹下所有测得的BAW滤波器的S2P文件；然后调用群时延的计算程序“Filter_Measure”文件；接着依此计算BAW滤波器的群时延波动；最后以excel形式输出计算数据。数据输出部分程序如下：

clc

clear

maindir = ′F:data高低温试验数据′;

subdir =dir(maindir);

for bianhao=[1 2 3 4 5 7 8]

Wendu=[];Qunyanshiall=[];

fori= 1:length(subdir)

filename=subdir(i).name;

flg=strfind(subdir(i).name,[′du_′num2str(bianhao)′#′]);

if(length(flg)～=0)

Wendu=[Wendu str2num(filename(1:flg-1))];

[Qunyanshi1]=Filter_Measure1(filename);

Qunyanshiall=[Qunyanshiall Qunyanshi1];

end

2 ADS计算方法

2.1 S2P文件读取

在ADS软件中计算BAW滤波器的群时延波动,首先在ADS软件中导入测得的BAW滤波器的S2P文件。具体方法是在ADS软件中新建一张原理图，然后放置S2P元件和相应的S参数端子，构成的电路图如图1所示。在S2P元件中导入测得的BAW滤波器S2P文件；S参数仿真设置的扫频范围和步长需要与矢量网络分析仪测量时保持一致。

图1 在ADS中导入S2P文件

2.2 “delay(S12)”计算群时延波动

在图1的基础上，双击“S-PARAMETERS”进入S参数仿真器设置中，选中计算“Group delay”；然后在ADS软件绘图框中的“Trace Expression”输入“delay(S12)”，得到BAW滤波器群时延频率曲线，如图2所示。

图2 “delay(S12)”计算群时延频率曲线

“delay(S12)”函数是利用群时延定义及下式计算[7]得到

(1)

式中:φ(ω)为相频特性曲线;ω为角频率;τ(ω)为群时延。

在ADS中仿真phase(S12)-频率曲线如图3所示。

图3 phase(S12)-频率曲线

由图3可知，相位存在-180°～180°的跳变，这是因为计算一个系统相频特性时，要用到反正切函数提取相位，计算机中反正切函数规定，在一、二象限时角度为0°～180°，三、四象限时角度为0°～-180°。这使实际得到的结果发生相位跳变，跳变幅度为360°。群时延为相位变化量和频率变化量之比，相位发生跳变会使相位变化量增大，进而导致群时延增大。