高性能跳頻濾波器設計

楊玲玲

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

現代通信對電臺抗干擾能力的要求越來越高,采取跳頻、擴頻技術克服通信干擾的手段也越來越多地得到了應用。一個跳頻通信系統通常包括幾個工作于不同頻段的T/R組件。為了有效利用不斷變化的電波傳播條件,同時也為了信息不被敵方截獲,避免敵臺施放干擾,理想情況下,各個T/R的中心頻率應能在任何時候任意改變,而不要求重新調整[1]。體積小、時間快、點數多和窄帶的跳頻濾波器可實現這樣的功能,完成信號的快速選擇并提供一定的通道隔離度。

針對跳頻通信系統中跳頻濾波器的高性能、小型化設計和收發共用這一研究目標,國內外進行了廣泛的研究,總結起來主要有以下4個方面的工作:機械傳動跳頻濾波器、微功率跳頻濾波器、大功率頻選組件和基于MEMS技術的調諧濾波器,它們的原理基本相同,都是通過變化諧振電抗(等效電感或電容)來改變諧振頻率[2-4],各有特點,這里不再詳述。針對跳頻濾波器越來越高的要求,不僅要求用于接收信道,發射信道同樣需要,為此,本文提出了一種具有體積小、時間快、點數多、窄帶、功率高和低插損特點的高性能跳頻濾波器設計方法。

2 跳頻濾波器的組成和原理

跳頻濾波器由射頻部分和數控部分組成,其中射頻部分又由無源諧振腔和有源開關電容陣兩部分組成。我們知道,對于電容加載腔體濾波器,可以利用加載電容值的改變來進行濾波器中心頻率的調整。本文提出的跳頻濾波器就是基于這個基本原理,把加載電容排列成一個陣列,將陣列進行組合,組合出一定數量的加載電容值,通過開關切換這些不同的組合,加載到內導體上,從而形成不同的中心頻率,實現跳頻濾波的功能。本文提出的跳頻濾波器分為腔體、開關電容陣和數字控制3個模塊,采取壘積木的方式將這3個模塊集成在一起。由數控模塊選擇開關電容陣是否接入諧振電路來選擇中心頻率。開關電容陣被數控模塊驅動控制,使電路接收數字調諧指令,將其變換為跳頻濾波器內部的所需編碼并驅動開關,由開關來選擇電容陣組合是否接入同軸腔諧振電路。整個調諧過程的完成設定在微秒量級,外部調諧碼為標準8位并行二進制編碼,允許最多256個調諧點。

3 主要參數分析與實現

功率和插損是跳頻濾波器的兩個重要參數。下面就跳頻濾波器的腔體、開關和電容的功率和插損進行分析計算。

3.1 諧振腔

跳頻濾波器的腔體設計應能滿足功率容量、帶內插損、帶外抑制和體積等指標。在體積一定時,采用內圓外方的縮短同軸腔結構可以提高腔體的功率容量[5]。

根據文獻[6]的研究結論,當內導體外徑與外導體內徑之比即a/b=0.33時,作為內圓外方諧振器的Qu值獲得最佳,這時衰減ατ最小,此時同軸線的特性阻抗 Z=71 Ψ。若b不變,改變 a,則在 b/a=1.65時,傳輸平均功率最大,此時同軸線的特性阻抗Z=34.6 Ψ。由此,我們知道同軸腔的插損和功率同腔體尺寸之間的關系,并不是插損最小時其傳輸平均功率最大,所以設計時可以根據具體技術要求來確定腔體尺寸。已知頻率、導體材料和腔體的邊長和內徑并以a/b=0.33為比例時,可以根據文獻[6]中的公式求出同軸腔無載品質因數 Qu、平均功率 Pm,以及插損L的值。如果計算出平均功率能夠滿足指標要求,我們則以最大無載品質因素所對應的腔體尺寸為設計尺寸;如果不滿足平均功率指標要求,可以適當調整 a/b的比例,由0.33朝0.606方向調整,在插損盡量小的情況下兼顧到平均功率的指標。

根據以上諧振腔的插損和功率參數的分析,總結出跳頻濾波器諧振腔結構尺寸參數選取的3個原則:第一,避免高次模,工作頻率(MHz)應該滿足f<7510/(a+b);第二,滿足功率容量,a/b=0.606時功率容量最大;第三滿足損耗要求,a/b=0.33時無載Q值最高,損耗最小。a/b一般選擇在0.33～0.5之間。

此外,考慮到內導體縮短會降低腔體的Q值,且傳輸功率的瓶頸主要在PIN二極管上,所以選擇跳頻濾波器的尺寸以滿足衰減最小為基本原則,選取a/b=0.33。此時,同軸腔的特性阻抗約為71 Ψ,且工作頻率也遠遠小于截止頻率。根據同軸腔擊穿功率的公式可計算出其允許的平均傳輸功率為47.6 W,同時滿足功率要求。

3.2 開關

腔體確定后,下面對開關的插損和功率進行分析。跳頻濾波器擁有跳頻功能其最關鍵的技術是實現濾波器加載可變電容。可變電容的實現是采用微波電子開關加集總電容陣列。PIN二極管作為微波信號控制開關不失為一種很好的選擇。PIN二級管是一種特殊的電荷存儲二極管,正向電壓下,導通電阻很小,近似短路;反向偏壓下,阻抗很高,近似開路,可以承受較高的擊穿電壓,即可處理較大功率;除此之外還具有開關速度快和插損小的特點,被廣泛應用在微波控制電路中。

當微波信號和直流偏置同時作用于PIN二極管時,PIN二極管的工作狀態主要取決于直流偏置狀態。這是因為PIN二極管所呈現的阻抗水平只取決于直流偏置,與微波信號沒有關系,因此,我們只用較小的直流功率來控制PIN二級管的工作狀態,卻能得到控制較大功率的微波信號的結果。PIN二極管作為微波控制器件,特點是可控功率大、插入損耗小、隔離度高以及在大的正向偏置電流和大的反向偏置電壓下,可以得到近乎微波短路和開路的特性。

基于開關電容陣電路的可實現性,本文采用的是串聯型開關電路,根據文獻[7]的功率計算公式,可以求出PIN管的最大耗散功率和電源資用功率,其較小者為單管串聯型開關的功率容量。

文獻[7]是假定在理想情況下,用“電路”的概念,計算出了理論上功率容量的極限值。但是在PIN管控制電路的實際使用中特別是射頻大功率的使用中,還需要特別考慮工作環境、可靠性和電路在系統中的匹配狀況等因素。首先,開關不可能在電路中做到完全匹配,電壓駐波比為1.1～1.5都是通常容易出現的,尤其在開關電容陣中,開關直接與電容陣連接,當電容陣在某一個組合時,駐波到1.4甚至到1.5都是有可能的,具體實驗也證實了當頻率切換到個別頻點時,駐波比達到1.5。如果負載損壞,將直接產生全反射,例如需要導通的PIN二極管被損壞或失效時,駐波比將非常大,甚至為3以上都有可能。PIN二級管在行駐波狀態下,能承受的最大電壓值是入射波信號電壓的(1+Γ)倍(假定電路無耗),其中 Γ為反射系數;在全反射狀態下,PIN管承受的最大電壓值是入射波信號電壓的2倍。由于功率與電壓的平方成正比,所以PIN二級管功率容量將為理想駐波環境下的(1+Γ)2倍到4倍,即PIN管的功率保險系數取0.2～0.3。

根據以上分析,可以理解開關是影響跳頻濾波器承受功率最關鍵的因素。本濾波器選用的PIN管最后計算的輸入功率為6.25 W。

3.3 射頻電容

在對加載電容陣中微波電子開關的參數進行分析后,現在對集總電容的參數也進行分析。等效串聯電阻(ESR)常常是射頻電容的最重要參數之一。ESR通常以毫歐為單位,是電容內所有損耗的綜合指標,等于電容介質損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)的和(ESR=Rsd+Rsm)。高頻設計時,主要考慮金屬損耗和Q值對插損和功率的影響。

Q值,又稱品質因素(Quality Factor),是衡量電容插損的重要指標。Q值越高,射頻功率損耗越小。等效串聯電阻和品質因素存在如下關系:

式中,xc為容抗,xl為感抗。由式可知,電容品質因數的數值等于電容純電抗和電容等效串聯電阻的比值,與ESR成反比,和凈電抗成正比。設計濾波器時應了解整個頻帶內的等效串聯電阻范圍,并掌握頻帶內的插損,通常在電容產品手冊里可以查出ESR和插損。使用低損耗電容能把輸入頻帶插入損耗S21減到最小,讓濾波曲線更接近理想值。

電容的功率損耗反比于Q值,正比于 ESR,在射頻大功率電路中,電容功率耗散可由 P=I2ESR計算出來。低ESR的電容在電路中能減少發熱,使電路發熱問題得以控制。使用低ESR高Q無源器件能大大降低器件發熱所造成的損耗。低損耗電容用于高射頻功率設備中時,設備功率可以是電容額定功率的幾百倍,因此高Q低等效串聯電阻將對大功率射頻電路起至關重要的作用。

4 仿真與實測

由于要將開關的開和斷狀態全部模擬到仿真中,作者專門設計了PIN二極管導通和截止兩個狀態的封裝模型,驗證設計方案的可實現性。在ADS電路級仿真中模擬出了全頻段跳頻的跳頻濾波器性能,得到了預置頻率與對應電容組合的關系,為腔體加載開關電容陣的設計提供電容初始值。

圖1給出了覆蓋整個頻段選9個點的S21和S11曲線,仿真結果驗證了跳頻濾波器的方案能實現全頻段小步徑跳頻。從仿真曲線中可以看到,跳頻濾波器的駐波比在頻率的低端和高端較大,這是因為這里采用的集總參數代替腔體的方孔磁耦合,耦合電感的大小是以頻段的中間頻點來計算求得,所以頻段的高低端駐波比變得較差。而采用腔體方孔耦合時[8,9],這種惡化程度會有所降低,使窄帶同軸腔濾波器的調諧范圍比其它方式更寬達63%,從后面的實測曲線也可以驗證以上分析。

圖1 開關電容陣加載的跳頻濾波器特性曲線Fig.1 Characteristic curves of the switched capacitor loaded FH filter

跳頻濾波器的實物照片如圖2所示,其中2.1%帶寬的跳頻濾波器的常溫實測結果見表1和表2,可見達到了預期要求。

圖2 跳頻濾波器實物照片Fig.2 Picture of the FH filter

表1 實測帶內最差值Table 1 The measured worst in-band value

表2 實測帶內取三點結果Table 2 The measured result of choosing three frequency points from in-band

跳頻濾波器部分溫度試驗測試曲線如圖3和圖4所示。為提高跳頻濾波器的選擇性,研制出了多種帶寬的濾波器以供級聯,下面有兩種帶寬的跳頻濾波器的高低溫特性曲線。從高低溫測試曲線可以看出,帶寬越小,濾波器受溫度的影響越大。溫度降低時,中心頻率升高,帶寬變窄。

圖3 較小帶寬跳頻濾波器實測曲線Fig.3 Measured curves of narrower bandwidth filter

圖4 較大帶寬跳頻濾波器實測曲線Fig.4 Measured result of larger bandwidth filter

以上是在小功率(0dBm)狀態下跳頻濾波器的性能測試結果。表3給出了功率試驗的測試數據。

表3 功率測試數據Table 3 Power test data

從實測結果看出,跳頻濾波器插損、帶寬、矩形系數、頻點數的仿真與實測結果吻合較好,達到了滿意的設計效果。

5 結束語

跳頻濾波器具有非常廣闊的應用前景,研制體積更小、性能更好的跳頻濾波器是一項非常有意義的課題。本文提出了利用有源開關電容陣加載無源同軸諧振腔的方法實現低插損、大功率的高性能跳頻濾波器,針對其關鍵指標對外方內圓同軸腔體、PIN開關二極管和射頻電容的功率和插損因素進行了簡要分析,總結出了跳頻濾波器選用器件和實現方式的基本原則。通過建立開關電容陣的仿真模型,運用ADS和HFSS兩個仿真平臺得到了跳頻濾波器的仿真結果,為實物制作提供了非常有用的初值。實測數據和曲線表明本文提出的跳頻濾波器能夠滿足工程技術指標要求。

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