一種電調諧濾波器的設計改進方法

彭志華，鄒小平

(同方電子科技有限公司，江西九江 332005)

0 引言

隨著電子對抗技術的不斷發展，軍用無線電通信對抗干擾的要求越來越高。目前，大多數接收機均在射頻前端采用了固定帶寬的帶通濾波器組來提高其抗干擾能力［1］，然而，當接收頻率范圍較大時，會導致濾波器數量的激增，對設備的成本控制和小型化設計均帶來不利因素。因此，一種更好的實現方法是采用電調諧濾波器，通過合理設計，可以工作在很寬的頻率范圍［2，3］。該濾波器的核心部件為變容二極管，通過控制變容二極管的反向電壓來改變其電容值，達到改變諧振回路的中心頻率，實現電調諧跟蹤濾波功能。

1 常規電調諧濾波器特性分析

為提高選擇性，電調諧濾波器通常采用雙調諧電路形式。電路分為串聯諧振和并聯諧振2種，可通過電容或互感實現耦合。其中，串聯諧振和并聯諧振僅是電路形式有別，其原理和功能是相同的，為突出重點，以下僅就電容耦合的并聯諧振電路進行詳細分析。

1.1 常規的電容耦合型電調諧濾波器

圖1是一種典型的采用電容耦合實現的電調諧濾波器等效電路圖。其中，L1、C1和 L2、C2分別組成諧振回路，CM為耦合電容，實際使用過程中，C1和C2采用變容二極管取代。

圖1 電容耦合型雙調諧等效電路圖

由圖1可知，調諧回路的耦合系數為k=CM/，通常情況下，C1=C2，且C1、C2的值遠大于 CM，故 k ≈ CM/C1。

1.2 常規電容耦合型調諧濾波器幅頻特性［1］

為簡化分析，并考慮與實際應用的符合性，令L1=L2=L，C1=C2=C，G1=G2=G，同時滿足 C ＞＞ CM，根據基爾霍夫定律，可得到2個節點的電流方程為［4］:

由于2個回路具有相同的電路參數，即品質因數Q1=Q2=Q，廣義失諧ξ1=ξ2=ξ，通過合并整理，上述方程可簡化為:

通過上述推導，不難發現，調諧回路的耦合因子η是頻率ω的函數。對照式(1)可知，當η＜1時，電路為弱耦合;當η=1時，電路為臨界耦合;當η＞1時，電路為強耦合。因此，這種電容耦合型調諧濾波器的缺點是一旦耦合電容CM值固定后，隨著濾波器中心頻率的變化，耦合因子也隨之發生變化，雙調諧回路將產生一個從弱耦合到強耦合的變化過程［5］。圖2給出一個設計實例，當調諧頻率范圍200～500 MHz，耦合電容按350 MHz優化取值，通過ADS建模進行仿真［6］，可以清晰地看到這種影響。

圖2 電容耦合型濾波器調諧特性

在弱耦合條件下，濾波器的損耗變得很大，而電路處于強耦合時，濾波器的帶內波動又變得不可接受，因此它只適合在調諧范圍較小時使用。

2 電路設計改進

通過上述分析，可以得知，如何使耦合因子在調諧振頻率發生變化的過程中保持一個相對穩定的值，是決定濾波器性能的關鍵因素。為解決這個問題，將調諧濾波器電路改進為圖3的形式。電路仍采用電容耦合方式，但耦合電容采用變容二極管取代，其中，輸入輸出設計成電感抽頭方式，以提高諧振回路Q值;調諧用的變容管 D1、D2、D3和 D4的偏置電壓由VT1提供，耦合用的變容管D5和D6上的偏置電壓由VT1和VT2相減獲得，VT1和VT2則由DAC預置產生。這種改變的好處是非常明顯的，因為耦合電容值可隨工作頻率改變而進行靈活調整，從而避免了耦合因子變化過大的不足。

圖3 耦合電容可調整的調諧濾波器原理圖

在實際使用過程中，為了改善IMD特性，調諧用的變容二極管可由多個具有不同指數特性的二極管并聯組成［7-8］，這是一個有趣的事實，許多文章對此已有論述，這里不再討論。通過ADS建模仿真，在200～500 MHz頻率范圍內其調諧特性如圖4所示。可見，當中心頻率調整時，其通帶帶寬幾乎保持不變，這大大提高了濾波器的選擇性能。

圖4 改進后的濾波器調諧特性

3 結束語

電調諧濾波器由于其高性能和體積小等特點，一直是軍用無線通信的研究熱點之一，同時也是未來軟件無線電實現的關鍵。使用這種改進后的電路形式，在20～1000 MHz頻率范圍內采用分波段的方式成功實現了多倍頻程電調諧濾波器的研制，并已經應用在某型超短波監測接收機中，實際測量與仿真結果具有較好的一致性。另外，其優秀的通帶特性滿足對濾波器帶寬要求較高的環境下使用。

［1］林肖輝.提高接收機無虛假響應動態范圍的研究［J］.無線電通信技術，2009，35(3):49-51.

［2］王洪勝.225MHz-400MHz壓控調諧濾波器的實現［J］.電子對抗，2007，114(3):35-38.

［3］李宏軍.微波電調帶通濾波器的研究［J］.半導體情報，1999，36(3):58-60.

［4］(美)ROHDE U L，NEWKIRK D P.無線應用射頻微波電路設計［M］.劉光祜，張玉興 譯.北京:電子工業出版社，2004:414-422.

［5］劉偉，謝顯中.電壓調諧帶通濾波器的設計研究［J］.重慶郵電學院學報，2004，16(2):67-70.

［6］李建群.用ADS實現電調諧濾波器的設計［J］.移動通信，2004，增刊(8):115-117.

［7］吳志田.變容二極管的應用［M］.北京:國防工業出版社，1989.

［8］BROWN A R，REBEIZ G M.A Varactor-Tuned RF Filter［J］.IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques，2000，48(7):1157-1160.