一種C波段大功率電調濾波器設計

魏 強,李曉東，王 彬, 蔣廷利，周 雨，邱海蓮

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060；2. 西南大學 電子工程系，重慶 400715；3.云南省機電一體化應用技術重點實驗室 云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031)

0 引言

現代武器系統面臨的電磁環境日趨擁擠、異常復雜，頻率捷變是電子抗干擾最主要的技術手段，電調濾波器是實現抗干擾微波系統的重要部件[1-2]。

綜合文獻[3-4]分析，對于U/V、L頻段的電調濾波器報道較多，而對于C波段和更高頻段的電調濾波器報道較少。

目前電調濾波器設計存在的難點有：

1) 濾波器失諧問題[5-7]。如何解決濾波器相對帶寬隨頻率變化而發生顯著變化的問題。

2) 伺服機構控制精度問題[8]。如何解決運動機構微行程、高精度、重復性的問題。

在工程應用中，還需解決溫度、振動沖擊等多種因素造成的頻率漂移、誤差問題。

本文介紹了一種恒定帶寬耦合機構和運動執行機構的設計方法，并在此基礎上完成了一款大功率C波段電調濾波器的研制，實測結果和理論仿真吻合，滿足工程所需。

1 電調濾波器設計

電調濾波器的頻率為4 400～5 000 MHz，帶寬≥40 MHz，插入損耗≤1 dB，(f0±100 MHz)(f0為中心頻率)帶外抑制≥50 dBc，承受功率≥400 W，調頻步進為10 MHz。高帶外抑制和大功率是本濾波器的設計難點。

C波段電調濾波器有波導、同軸腔、釔鐵石榴石(YIG)磁調3種實現方式[9]。YIG磁調濾波器性能優良，但其耐功率低。

技術指標要求調諧頻率為4 400～5 000 MHz，對應波長變化0.82 mm。若采用λ/4(λ為自由空間波長)同軸腔，調諧行程為0.2 mm。若采用BJ48波導諧振腔，通過調諧銷釘從波導H面插入，仿真計算，采用直徑為?10 mm的調諧銷釘，其調諧行程為27 mm，可覆蓋的頻率為4.3～5.1 GHz。與同軸腔方案相比，從調諧精度上看，波導的調諧行程較長，調諧精度低，易工程實現。

此外，波導濾波器的峰值功率容量(介質為空氣)為

(1)

式中：a、b分別為矩形波導截面長和寬；E為空氣擊穿電場強度。由式(1)可估算BJ48波導諧振腔的最大功率容量為467 kW，遠大于相同尺寸同軸腔的承受功率。

采用KQ變換法[10]，四階切比雪夫濾波器低通原型參數為g0=0.712 8，g1=1.200 3，g2=1.321 2，g3=0.647 6，g4=1.100 7。通過網絡變換，實現此濾波器的拓撲結構如圖1所示。

圖1 濾波器網絡拓撲結構原理圖

圖1中,各個腔間耦合系數Kij、諧振回路中的電感L、電容C、電阻R分別為

(2)

(3)

(4)

式中：BW為濾波器的絕對帶寬;Q0為諧振回路的品質因數。采用從圖1求出的耦合系數Kij作為耦合結構仿真理論值。

1.1 腔間耦合結構設計

由式(2)可見，當腔間耦合系數Kij為定值時，隨著頻率的升高，BW也應增大。理想的電調濾波器需要設計一種耦合結構，在整個調諧頻率范圍內，保持BW為定值的條件下，使Kij與中心頻率f0的變化成反比，即要求Kij隨f0的升高而降低，才能達到帶寬恒定的目標。

物理結構耦合系數Ksim可以利用本征值計算公式求得，即

(5)

式中f1、f2為軟件求得的2個本征模頻率值。

定義Kij與Ksim之差的絕對值為ΔK，則有

ΔK=|Kij-Ksim|

(6)

通過給定的恒定濾波器帶寬BW來確定Kij為頻率的函數，即Kij(f)，并以式(6)作為目標函數，尋找合適的物理耦合結構，使ΔK恒趨近于0，解決失諧問題。

E面金屬膜片濾波器是由在矩形波導寬邊插入與E面平行的金屬膜片和矩形波導共同構成，金屬膜片起耦合作用，相鄰膜片間構成諧振腔。通過改變這些金屬膜片高度或寬度，實現集總元件(電容或電感)，圖2為在矩形波導中插入電容、電感膜片的物理結構及其等效電路。圖中，δ為膜片的厚度,B為電導，Y0為輸出導納。

圖2 波導濾波器電容、電感等效耦合結構

傳統E面波導濾波器耦合結構通常只采用單一的電感或電容膜片，膜片厚度、位置偏置結構參數與濾波器的中心頻率、通帶帶寬有密切的聯系[11]，不能夠實現寬范圍調諧。

通過分析E面波導濾波器耦合理論和仿真計算，最終選定的腔間耦合結構如圖3所示，這種耦合結構由全高電感膜片和半高電容膜片共同構成，滿足式(6)要求，確定耦合結構尺寸的初值。

圖3 恒定帶寬混合耦合結構

1.2 濾波器設計

濾波器由耦合結構和諧振腔級聯而成, 如圖4所示。

圖4 波導濾波器結構剖分

將濾波器拆分為耦合結構參數仿真、諧振器長度仿真、濾波器整體仿真3個步驟。

1) 耦合結構參數仿真。按照圖3所示結構建模, 仿真其在中心頻率4.7 GHz處的傳輸系數S12值，直到其S12的仿真結果與理論數據相符, 求出耦合結構的初值。

2) 諧振器腔體長度仿真。根據耦合結構的尺寸建立諧振器模型, 調整諧振器的長度，使單腔諧振器的諧振頻率與所要求的濾波器通帶中心頻率一致, 即可以算出諧振器的長度。

3) 濾波器整體仿真。把所有的耦合結構和諧振器結構交替級聯起來(見圖5)，利用場路結合、協同仿真[12]的方法, 對濾波器進行整體仿真優化, 完成濾波器設計。

圖5 波導濾波器協同仿真

圖6為波導濾波器仿真頻響。仿真優化結果表明，在4.4 GHz、4.7 GHz、5 GHz 3個頻點，帶寬分別為47 MHz、43 MHz、45 MHz，偏離中心頻率100 MHz，抑制度分別為55 dB、65 dB、65 dB，在整個調諧頻段內帶寬變化≤5 MHz，駐波、抑制等指標滿足要求。

圖6 波導濾波器仿真頻響

2 執行機構軟硬件設計

2.1 執行機構硬件設計

為滿足設計指標，要求電調濾波器伺服機構位置控制靈活，響應快，定位準確。直流伺服系統存在維護費高,堵轉易燒毀及控制復雜等問題。交流伺服系統維護性低，控制技術成熟，但成本較高。步進電機伺服系統有可靠性高、性價比高、便于計算機控制等優點。因此，采用步進電機作為執行機構硬件首選。

通過理論仿真，得到調諧螺釘行程和頻率關系，即頻率變化10 MHz，調諧活塞變化0.45 mm，且在調諧范圍內，二者近似為線性關系。因此，除對運動部件的加工精度有較高要求外，還需合理設計執行機構才能滿足要求。圖7為執行機構運動控制系統硬件組成[13]。

圖7 控制板硬件構成

主控單元通過UART數據接口向伺服控制系統單片機發送頻率相關的配置信息，經過處理將頻率值轉化成步進電機運動參數，控制執行機構運動到相應位置，從而實現選頻功能。驅動放大器驅動步進電機動作。機械限位開關限制內導體的運動范圍，而光電開關確定內導體的運動零點位置。濾波器腔體和運動機構為機械結構件，性能的調整只能依靠存儲的數據，而溫度環境的變化會改變濾波器性能，因此，在運動控制系統中增加了溫度補償，使溫度變化引起的頻漂得到抑制，提高了系統的精度，也增加了系統的環境適應性。主控單元實物如圖8所示。

圖8 控制板實物

運動機構零點決定了整個濾波器的控制精度。零點的確定采用了初零、細零和步進電機機械零點三級控制方法，實現了執行機構運動零點的唯一性，提高了濾波器的準確度。當調諧桿經過機械零點時，零點位置觸發電路將輸出脈沖信號，處理器接收到該脈沖信號，然后從該機械零點開始計數，直到調諧桿運動到指定步數，電機停止，調諧完成。從零點位置開始到指定位置，要經3個階段：

1) 低速尋找零點。尋找機械零點時，電機轉速低，尋找起始位置零點。

2) 恒定速度運行。為提高系統響應速度，必須在較短時間內運動到指定位置，所以，從零點開始加速到最高速度后，以最高速度運行一定距離。

3) 以低速運動到指定位置。當調諧桿運動至指定位置前必須減速，以防過沖，降低控制精度。

2.2 執行機構軟件設計

運動控制系統的控制策略和控制方法都是通過軟件實現的，要達到理想的運動控制效果，控制軟件的設計至關重要。濾波器控制軟件由初始化函數、運動函數、復位函數組成，程序框圖如圖9所示[13]。

圖9 濾波器控制軟件流程框圖

當系統上電復位后，對系統各部分進行初始化，然后等待上位機發送調諧指令。當接收到一條完整的調諧指令后，根據協議計算出頻點，如果頻點在規定范圍內，讀取存儲器中該頻點所對應的步數。存儲器中只存放了頻點為整數兆赫茲所對應的步數，當頻點為非整數兆赫茲時，采用線性插值算法，根據前、后頻點的步數計算出頻點所對應的步數。當電機運動結束，調諧完成，等待下一次調諧指令。

3 實驗結果

根據上述設計思路, 對電調濾波器進行了實物加工, 使用Agilent E5071C網絡分析儀進行測試。在室溫25 ℃下實測結果如圖10所示，3組曲線分別對應f0為4 400 MHz、4 700 MHz、5 000 MHz時的頻響、駐波特性。在整個調諧過程中，3 dB帶寬≥40 MHz，插損≤0.6 dB，駐波≤1.5。

圖10 濾波器實測頻響

由圖10可知，在整個調諧范圍內，濾波器的響應形狀和相對帶寬保持不變，較好地滿足了工程實際需要。

4 結束語

本文研制的電調濾波器具有恒定帶寬、承受功率大的特點，在系統應用中性能穩定，已批量生產。通過濾波器和伺服傳動機構的機電一體化設計，研制結構更緊湊的大功率電調濾波器滿足通信設備高集成、小型化的要求，具有廣闊的應用前景。