数控可选通微带滤波器组的设计与仿真

2020-10-28曹良足符先敏蔡兵兵李子敬

压电与声光 2020年5期

曹良足,符先敏,蔡兵兵，李子敬

(景德镇陶瓷大学机电学院，江西景德镇 333403)

0 引言

随着通信技术的飞速发展，滤波器的应用越来越广泛。常用电调滤波器的调频范围有限，数控可选通微带滤波器可设计更宽的调频范围，更方便的调频方式。张宇平等[1]研究了五路开关滤波器组，每个开关由1只梁式PIN二极管和3个并联的PIN二极管管芯组成，单个开关的插入损耗达1.5 dB。谭笑等[2]分析了两波段开关滤波器的功率容量、散热和高低波段间的隔离度问题，每个开关由2只串联的PIN管构成的。侯芳等[3]研制了小型化微机电系统(MEMS)开关滤波器，由4个MEMS滤波器和2个PIN单刀四掷开关构成，开关滤波器的插入损耗最大约为4.7 dB。王玲等[4]研制了8路开关窄带滤波器，每个开关由1个串联PIN管和1个并联PIN管组成的Γ型结构，但开关滤波器的插入损耗高达18～25 dB。杨晓东等[5]设计并制作了基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺技术的8通道选频开关滤波器组，采用单刀八掷的开关芯片来选通2 700～3 050 MHz频段的8个滤波器。曹良足等[6]研制了L波段选频器，通过2位晶体管-晶体管逻辑(TTL)信号选通4路介质滤波器，开关控制由PIN管和译码器构成，但滤波器间的隔离度较低。S. Bendikt等[7]采用MEMS开关改变微带谐振器的电长度的方法，设计了一种可选频(537～728 MHz)滤波器，插入损耗为2.5～5.5 dB。H. Inoue等[8]采用MEMS开关调节谐振器电长度的方法，设计选频范围为1.4～2.7 GHz，插入损耗小于3 dB的可选通滤波器。上述开关滤波器组所用的开关有PIN管、开关芯片和MEMS开关3种。由PIN管设计的多路开关滤波器，其偏置电路较复杂，滤波器间的隔离度较低；MEMS开关构成开关滤波器的插入损耗较低，但MEMS开关的驱动电压较高，开关芯片是设计开关滤波器的理想开关。由此可看出，选频范围都较窄，上、下限频率之比未超过2。本文设计的可选通滤波器组的频率范围为500～2 000 MHz，上、下限频率之比高达4。为了使设计简单，采用两片开关集成芯片作为单刀四掷开关，选择梳状线结构设计4个滤波器。

1 微带线滤波器的设计

1.1 谐振器的谐波特性

本文需设计4个不同中心频率(0.5 GHz、1.0 GHz、1.5 GHz 和2.0 GHz)的带通滤波器，相对带宽为20%，级数为2，插入损耗小于1 dB。由于4个滤波器的中心频率间存在倍数关系，因此，设计时必须考虑滤波器的谐波频率。

对于λ/2(λ为波长)谐振器，其谐波频率为基波频率(f0)的整数倍，即2f0，3f0，…；对于λ/4谐振器，其谐波频率为f0的奇数倍，即3f0，5f0，…。由此可知，0.5 GHz和1.0 GHz滤波器不能用λ/2的谐振器来实现，因为其谐波频率为另外2个滤波器的中心频率。因此，选择λ/4的微带线来实现这4个滤波器，但0.5 GHz滤波器的第一个谐波频率为1.5 GHz。本文选择终端加载电容的办法使滤波器的谐波频率远离其他滤波器的中心频率，同时也使滤波器小型化，等效原理图如图1所示。图中，Z0、θ和CL分别为谐振器的特性阻抗、电长度及加载电容。

图1 加载电容的微带谐振器

加载电容谐振器的谐振条件为

(1)

取Z0=70 Ω，f0=0.5 GHz，由式(1)可知，CL随θ变化，谐波频率(fs)也随θ而变。图2为仿真波形。图中S21为插入损耗。由图可看出，θ越小，fs越高, 当θ=45°时，fs=2.14 GHz，靠近第4个滤波器的通带(1.8～2.2 GHz)。因此,要想谐波频率远离其他滤波器的中心频率，则需0.5 GHz滤波器的电长度θ<45°。

图2 谐波频率随电长度变化

1.2 梳状微带线带通滤波器设计

选取0.5 dB的切比雪夫低通原型进行两级带通滤波器的设计，低通原型归一化元件参数[9]为g0=1.000 0，g1= 1.402 9，g2= 0.707 1和g3= 1.984 1，滤波器的耦合系数k12和外部品质因数Qe值[9]分别为

(2)

(3)

式中BW为带通滤波器的通带带宽。

以中心频率f0=0.5 GHz的微带线滤波器的设计为例。由式(2)、(3)可得k12=0.2，Qe=7.01。设置介质基板厚为0.787 mm，相对介电常数为2.65，相对磁导率为1.0。

图3为两级梳状线带通滤波器的等效原理图。图中，C1和C2为加载电容，容量用Cv表示，CLin1和CLin2为耦合微带线，其总长度为l0，间距为s12，Tee1与TL1，Tee2与TL2构成抽头式输入/输出结构，其位置用t表示，即耦合线CLin1的长度，fC3为按3 dB带宽来计算滤波器的中心频率。采用ADS软件进行仿真[10]，将上述变量加入VAR中，并用ADS自带的调谐和优化功能调节和优化各个变量，以得到最优的频响曲线，如图4(a)所示。由图可知，滤波器的中心频率f0=0.5 GHz，3 dB带宽BW3 dB=109.7 MHz,滤波器在2 GHz (光标m1) 附近的衰减大于20 dB,达到了设计要求。按这个方法可得到其他3个滤波器的最优参数值，滤波器的波形如图4(b)～(d)所示。图中，S1,1为反射系数的幅值，S2,1为传输系数的幅值。由图可知，各滤波器的性能达到了设计要求。

图3 两级梳状线带通滤波器的原理图

图4 滤波器的频率响应曲线

2 数控滤波器组设计

2.1 微波开关的选择

本文选用ADI公司生产的开关芯片，其中HMC244AG16是单刀四掷开关芯片(SP4T)，但该产品价格高(1 376元/片)，而单刀六掷开关芯片(SP6T)HMC252AQS24E的价格较适宜(126元/片)，该微波开关插入损耗较低(小于0.9 dB (DC～2.0 GHz))，隔离度高(大于35 dB (DC～2.0 GHz)),非反射设计，集成式3∶6 TTL解码器，单正电源，Vdd=+5 V或+3.3 V。

本文应选用四通道的微波开关，但考虑做实物的成本问题，且四通道和六通道各项参数都相同，因此选取价格适中的六通道开关芯片HMC252AQS24E，其真值表如表1所示。

表1 HMC252AQS24E真值表

选择2个HMC252AQS24E微波开关控制滤波器组的输入、输出端口，实现滤波器组各通道的选通，考虑到线路板上布线不能交叉，两开关芯片的位置反向排列，这样导致同一滤波器的输入、输出端与两芯片的连接端不同，按照该芯片的引脚分布图[11]布线，输入端芯片的RF1、RF2、RF3、RF4分别与输出端芯片的RF6、RF5、RF4、RF3相对应(见表1)。

由表1可知，输入、输出开关的A、C两个控制端口的电平互反。因此，只需以输入开关为标准，在输出开关的A、C两个端口分别加上一个逻辑非门。

2.2 开关的等效电路

由于ADS元件库中没有HMC252模型，本文根据HMC2522AQS24E的插入损耗和隔离度，将每路开关等效为集总元件，导通时等效为电阻(R)，关断时等效为电容(C)。图5为开关的特性曲线。图5(a)是开关导通时，插入损耗与等效电阻的关系曲线，图5(b)是开关关断时，隔离度与等效电容的关系曲线。由图可知，导通时，取R=10 Ω，插入损耗小于0.9 dB;关断时，取C=0.01 pF,隔离度大于35 dB(DC～2.0 GHz)。

图5 开关的特性

2.3 仿真和结果分析

将开关的等效电路和4个滤波器连在一起组成开关滤波器组，并用ADS进行仿真，仿真电路图如图6所示。图中，4个两端口元件是基于4个滤波器的S参数文件(*.s2p)，这样可使原理图清晰，输入、输出端口的电阻和电容是开关(K1～ K4)的等效电路，开关导通时，等效为电阻；开关关断时，等效为电容。图中K1导通，K2～ K4关闭，即中心频率为0.5 GHz时处于选通状态。

图6 可选通微带线滤波器的仿真电路图

当开关K1导通, 开关K2～K4均断开时，对应开关芯片的数字信号ABC=000,中心频率为0.5 GHz的带通滤波器导通。当开关K2导通, 开关K1、K3和K4断开时，对应开关芯片的数字信号ABC=100,f0=1.0 GHz的带通滤波器导通。当开关K3导通, 开关K1、K2和K4断开时，对应开关芯片的数字信号ABC=010,中心频率为1.5 GHz的带通滤波器导通。当开关K4导通, 开关K1～K3均断开时，对应开关芯片的数字信号ABC=110, 中心频率为2.0 GHz的带通滤波器导通。

图7 数控可选通带通滤波器仿真波形

图7为开关滤波器的仿真波形。第1 路滤波器的中心频率为498.9 MHz，3 dB带宽为104.4 MHz，插入损耗为1.84 dB。第2 路滤波器的中心频率为998.5 MHz，3 dB带宽为198.2 MHz，插入损耗为1.83 dB。第3路滤波器的中心频率为1.492 GHz，3 dB带宽为294.8 MHz，插入损耗为1.78 dB。第4 路滤波器的中心频率为1.991 GHz，3dB带宽为393 MHz,插入损耗为1.77 dB。

由图7可看出，通过数字信号控制开关的导通，可选通滤波器组的某一个滤波器，与单个滤波器相比，开关滤波器的3 dB带宽减小，插入损耗增大约1.7 dB，滤波器插入损耗增大由滤波器两边的开关引起。由图7还可看出，0.5 GHz滤波器在1～4 GHz内未出现谐波，满足本文设计要求。

图8为采用Altium Designer画出电路板图。电路板尺寸为65.9 mm×58.2 mm，背面敷铜接地。