寬帶高選擇性調諧濾波器設計

文/鄭澍鵬 黎維金

1 引言

隨著無線通信用頻設備的不斷增多，導致電磁環境越來越復雜，可用的頻譜資源有限，反過來要求用頻設備的抗擾能力需不斷的提升。為提升用頻設備的抗擾能力，需從其使用的場景進行分析，這里主要是針對用頻設備直接關聯的射頻前端進行分析。

表1：調諧元件電性能對比

射頻前端主要功能是將接收到的高頻信號轉換成中頻信號，對整個接收系統的性能有著至關重要的作用：檢測小信號的能力直接決定了接收機的靈敏度；對大信號的適應能力決定著接收機的動態范圍；良好的線性度可以減少系統中的互調失真和交調失真；適應跳頻系統抗干擾所需的快速換頻的前端選擇濾波器。因此，研究小型化、寬帶、高選擇性的射頻前端的實現方法是非常重要的，其中寬帶高選擇性調諧濾波器實現尤為關鍵。

2 調諧濾波器設計

2.1 可變電抗元件比較

采用工作頻率可變的電調濾波器，可有效提高接收機性能。電調濾波器常見可調電抗元件（調諧元件）主要有四種，性能對比表1所示。

圖1：雙調諧濾波器的電路架構

圖2：PIN管調諧濾波器設計

圖3：濾波器傳輸曲線

圖4：微帶線結構PIN管調諧濾波器設計仿真

綜合考慮各調諧元件的電性能，使用變容二極管作為調諧元件能夠實現滿足低功耗和高速調諧的要求，適用于需小型化、小信號處理射頻前端；使用PIN二極管為調諧元件能夠實現滿足高速調諧和高功率容量的要求，適用于大信號處理射頻前端。

2.2 調諧濾波器電路架構

如圖1所示，電調諧濾波器的電路架構上采用經典的雙調諧濾波器設計，具體采用抽頭式電感接入方式來實現與外部源的阻抗匹配，該方式的特點是有效減小外部接入對本電路自身電路參數的影響。在諧振電路上采用的對稱的LC調諧方式，諧振電路之間采用電感耦合的方式，在高于諧振頻率時，諧振器的幅頻曲線有更大的下降速率，選擇性更好。

為了獲得更高的帶外抑制和選擇性，有三種方法：

（1）增加調諧濾波器的諧振器，增加其級數，但是會導致體積增加；

（2）在電路的輸入輸出處引入對地諧振器，在通帶的兩邊引入傳輸零點。為了減少諧振器的級數兼顧小型化設計，可采用傳輸零點的引入來提高選擇性，常用的引入傳輸零點的方法有源負載耦合、交叉耦合和混合電磁耦合；

（3）調整諧振器之間的電感耦合，減小通帶帶寬來提高電路的選擇性。

隨著頻率的增加電感元件的Q值下降，由電感元件組成的諧振電路，其損耗將增大。此時，可采用微帶線諧振電路來代替電感電容組成的諧振電路；另外，高頻板材的使用，將有效的提高諧振電路的Q值，降低帶內插損，同時也減少板材分布參數對濾波器的影響。

2.3 小型化設計

受用頻設備的體積限制，電調諧濾波器需要做到盡可能的小，這就需要對電調諧濾波器進行小型化設計。在小型化方面基于LTCC技術相比與其他的集成技術，主要有以下優點：

（1）LTCC 技術使用的陶瓷材料高頻特性好，Q 值高，損耗小，可以實現高速傳輸；

（2）LTCC 基板內可以集成無源元器件，大大的減少了表面貼裝的元件數量，提高了集成和封裝的密度，減小了功能模塊的體積，提高了可靠性；

（3）LTCC 技術采用平行加工技術以及高密度的布線工藝，能夠疊加幾十層，層間距和線寬甚至可以做到 0.05mm，可以大大地減小無源元件的尺寸，實現復雜的電路結構，從而實現小型化；

（4）LTCC 材料的溫度特性好，耐高溫，熱傳導性能比普通的 PCB 板更加優良，能適應惡劣的環境。

多層LTCC工藝的應用和電感的集成，使得濾波器的尺寸得到了有效的優化。

2.4 大功率設計

如圖2所示，采用PIN管設計的電調諧濾波器（VHF頻段，采用LC調諧方式）。其傳輸曲線如圖3所示。

從圖3中可知，在VHF頻段，帶內插損基本在2.0 dB以內，3dB帶寬≤5，偏離中心頻率15%右側的抑制在27dB以上，左側在23dB以上，遠端抑制在60dB以上；帶內功率容量大于30dBm。在UHF頻段，采用微帶線電調濾波器設計如圖4所示。

從圖4可知，在UHF頻段，其帶內插損小于2.5dB，3dB帶寬在5以內，偏離中心偏離15%處抑制大于25dB，遠端抑制在60dB以上；帶內回波損耗基本上大于16dB，并且，電路的帶內功率容量大于30dBm。

對于需要更大功率容量的電調諧濾波器，將電路中的PIN管替換成同性能、更大耐壓與電流的即可。

3 結束語

在無線用頻設備不斷增多的同時，對用頻設備自身提出了更高要求，需具備在復雜電磁環境下的抗干擾能力。本文對射頻前端的小型化、寬頻段、大功率容量、高選擇性調諧濾波器進行了仿真分析與設計，可為無線傳輸的用頻設備在提升抗干擾和小型化方面提供設計參考。