关于大功率滤波器的设计研究

赵君伟

（1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 欧洲环线和国内应答器传输系统的区别

应 答 器 传 输 系 统（Balise Transmission System，BTS）是一种基于点式信息传输的安全传输系统，实现车地通信，这是国内BTM 系统设备与车载设备之间的安全信息传输。应答器传输系统包括应答器传输模块（BTM）及车载天线单元（AU）、有源应答器（Controlled Balise）和无源应答器（Fixed Balise）、地面电子单元（LEU）3 个基本组成部分。与国内应答器传输系统相比，欧洲环线车载设备同时还具备码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA)信号通信功能，为此需要增加CDMA 信号接收功能模块，CDMA 体现在射频性能上的特点是带宽宽，具有峰均比，以及射频通道具有良好的线性度。实现该射频子系统模块功能的关键技术是高功率滤波器的设计开发。依据SUBSET-044 标准和BTM 接收系统链路计算，对高功率滤波器进行指标定义。来自天线的信号不仅有13.5 MHz 的CDMA 小信号，还有27.095 MHz 的应答器激活信号，这个信号输出功率20 W，幅度很大。如果不对27.095 MHz 信号抑制处理，直接通过低噪声放大器（LNA），放大器将承受不住发送板的高功率信号，器件将会损坏。同时，接收机的模数转换电路也会被27.095 MHz 信号阻塞，CDMA 信号不能正常解调解码，因此必须对27.095 MHz信号进行抑制处理。另外，还需考虑对来自应答器信号4.5 MHz 的抑制，防止4.5 MHz 信号影响CDMA 的解调解码，高功率带通滤波器就是要达到这个目的，为保障后续放大器和模数转换电路能有效处理工作带内的CDMA 信号。

2 大功率带通滤波器主要指标定义

1）根据SUBSET-044 (2.4.0) 定义，带通滤波器带宽为4.5 MHz，考虑到后续解扩处理，预留边带0.5 MHz，因此按照13.5475±2.5 MHz 来定义，即11.05 ～16.05 MHz。

2）带内插损

信号通带内（11.05 ～16.05 MHz）≤4 dB，带内插损越小越好，如果带内插损过大，将直接影响射频系统的噪声系数，降低整机的接收灵敏度。SUBSET-044 没有对带通滤波器的带内插损进行定义，根据自身系统的链路进行计算，同时结合仿真数据给出了最佳的带内插损值在4 dB 之内。

3）带外抑制

对于27.095 MHz，要求有尽可能大的抑制。但如果抑制太大，将增加滤波器的阶数，带来的问题就是增加了带内插损，根据射频板链路预算，需要≥50 dB。

对于4.5 MHz 来说，4.5 MHz 属于应答器发出的频移键控（FSK）频率，也需考虑应答器最大功率发射对CDMA 信号的干扰，这个信号也需要滤除，根据链路计算，需要≥40 dB。

4）端口驻波具体指标

端口驻波定义，在工作带11.05 ～16.05 MHz内的回波损耗，应≤-10 dB。

3 仿真设计

为保证通带内幅频特性的平坦度，采用最大平坦型（巴特沃斯）结构。

本设计用八节LC 结构，采用巴特沃斯的目的是通带内的频率响应曲线具有最大限度平坦，没有纹波，在阻带则逐渐下降为零。一阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频6 dB，每十倍频20 dB，八阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频48 dB。八阶LC结构能有效克服巴特沃斯滤波器较长过渡带的缺点，满足在27.095 MHz 和4.5 MHz 抑制，达到本文设计的要求。建模如图1 所示。

图1 带通滤波器仿真模型Fig.1 Simulation model of the band-pass filter

带通滤波器仿真结果如图2 所示。端口驻波仿真结果如图3 所示。

图2 带通滤波器仿真结果Fig.2 Simulation results of the band-pass filter

图3 端口驻波仿真结果Fig.3 Simulation result of the standing wave of the port

仿真结论如下。

通带11.05 ～16.05 MHz 内，插入损耗最大，为-3.715 dB，在27.09 MHz 处的抑制为-62.033 dB，在4.5 MHz 处的抑制为-74.908 dB，端口驻波最差处为-11.598 dB。

4 电路设计

大功率设计需要做冗余设计，以此来满足高可靠性。为充分保证设计的余量能力，本设计不以BTM发送板输出口做参考，而是以BTM 的天线输入口为参考点进行计算，这样能保证设计有余量，电路中含有频率为27.095 MHz，功率为20 W（+43 dBm）的信号。考虑到线路损耗，按照10 m 电缆长度0.5 dB 衰减来考虑，再考虑其他因数，比如高、低温等其他因素条件下预留0.5 dB 余量，那么设计时需按照在BTM 发送板输出端44 dBm（25 W）以上的功率来计算CDMA 接收机的功率承受能力，因此滤波器和电路接入的前端需要考虑能够承受25 W以上的信号。电路按照50 Ω 匹配设计，落在电容上的电压至少36 V，通过电感的电流最小为0.71 A，考虑到电容和电感的可靠性工作，需要留有足够的降额设计。电路的前三级电容390 pF、470 pF 和100 pF 的耐压为600 V、600 V 和500 V，前三级电感500 nH、390 nH 和500 nH 的电流为4.3 A、4.4 A 和4.3 A。

来自天线的信号不仅有13.5 MHz 的CDMA 小信号，还有27.095 MHz 的激活信号，这个信号幅度很大，功率为25 W。如果不对27.095 MHz 信号抑制处理，直接通过低噪声放大器（LNA），放大器将承受不住25 W 的高功率信号，器件将会损坏。同时，接收机的模数转换电路也会被27.095 MHz 信号阻塞，CDMA 信号不能正常解调解码，因此必须对27.095 MHz 信号进行抑制处理。另外还需考虑对来自应答器信号4.5 MHz 的抑制，防止4.5 MHz信号影响CDMA 的解调解码，高功率带通滤波器就是要达到这个目的，为保障后续放大器和模数转换电路能有效处理工作带内的CDMA 信号。

大功率带通滤波器和现有滤波器不同点：1）LC 结构形式不同，电感和电容的数量和数值都不一样；2）通带（工作频带）定义不一样；3）抑制频点和抑制量定义不一样；4)滤波器承受功率不同。

J101 是信号输入连接器，用的MCX，J102 是测试点连接器，信号从J101 输入，从J102 处测试，分别接网络分析仪的端口1 和端口2。如果是连接有大功率信号测试，需要在J102 处先加至少30 dB衰减器，测试是否有大功率信号泄漏，确定没有后再进行测试，防止损坏仪表。

5 测试验证

单板生产加工后，在实验室进行调试验证。测试之前用校准件将网络分析仪进行校准，然后将单板的输入和输出分别接网络分析仪端口1 和端口2进行测试。测试数据如图4、5 所示。

图4 高功率带通滤波器测试结果Fig.4 Test result of the high-power band-pass filter

6 设计总结

图5 高功率滤波器端口驻波测试结果Fig.5 Test result of the standing wave of the port of the high-power filter

从测试结果来看，11.05 ～16.05 MHz 带内插损最大-2.772 4 dB，优于仿真结果-3.715 dB，带外27.095 MHz 处的抑制是-65.130 dB，优于仿真结果-62.033 dB，4.5 MHz 处的抑制是-89.140 dB，优于仿真结果-74.908 dB。11.05 ～16.05 MHz 工作带内的端口驻波小于-11.861 dB，优于仿真结果-11.598 dB。

通过功率放大器输出30 W 功率，来验证滤波器的高功率性能，通过连续高功率24 h 加电运行，电路各项指标正常。

以上所有测试指标均优于定义需求。本设计已满足并已成功应用于欧洲环线实际工程中。