關(guān)于大功率濾波器的設(shè)計研究

趙君偉

（1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 歐洲環(huán)線和國內(nèi)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的區(qū)別

應(yīng) 答 器 傳 輸 系 統(tǒng)（Balise Transmission System，BTS）是一種基于點式信息傳輸?shù)陌踩珎鬏斚到y(tǒng)，實現(xiàn)車地通信，這是國內(nèi)BTM 系統(tǒng)設(shè)備與車載設(shè)備之間的安全信息傳輸。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)包括應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）及車載天線單元（AU）、有源應(yīng)答器（Controlled Balise）和無源應(yīng)答器（Fixed Balise）、地面電子單元（LEU）3 個基本組成部分。與國內(nèi)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)相比，歐洲環(huán)線車載設(shè)備同時還具備碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA)信號通信功能，為此需要增加CDMA 信號接收功能模塊，CDMA 體現(xiàn)在射頻性能上的特點是帶寬寬，具有峰均比，以及射頻通道具有良好的線性度。實現(xiàn)該射頻子系統(tǒng)模塊功能的關(guān)鍵技術(shù)是高功率濾波器的設(shè)計開發(fā)。依據(jù)SUBSET-044 標準和BTM 接收系統(tǒng)鏈路計算，對高功率濾波器進行指標定義。來自天線的信號不僅有13.5 MHz 的CDMA 小信號，還有27.095 MHz 的應(yīng)答器激活信號，這個信號輸出功率20 W，幅度很大。如果不對27.095 MHz 信號抑制處理，直接通過低噪聲放大器（LNA），放大器將承受不住發(fā)送板的高功率信號，器件將會損壞。同時，接收機的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會被27.095 MHz 信號阻塞，CDMA 信號不能正常解調(diào)解碼，因此必須對27.095 MHz信號進行抑制處理。另外，還需考慮對來自應(yīng)答器信號4.5 MHz 的抑制，防止4.5 MHz 信號影響CDMA 的解調(diào)解碼，高功率帶通濾波器就是要達到這個目的，為保障后續(xù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能有效處理工作帶內(nèi)的CDMA 信號。

2 大功率帶通濾波器主要指標定義

1）根據(jù)SUBSET-044 (2.4.0) 定義，帶通濾波器帶寬為4.5 MHz，考慮到后續(xù)解擴處理，預(yù)留邊帶0.5 MHz，因此按照13.5475±2.5 MHz 來定義，即11.05 ～16.05 MHz。

2）帶內(nèi)插損

信號通帶內(nèi)（11.05 ～16.05 MHz）≤4 dB，帶內(nèi)插損越小越好，如果帶內(nèi)插損過大，將直接影響射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，降低整機的接收靈敏度。SUBSET-044 沒有對帶通濾波器的帶內(nèi)插損進行定義，根據(jù)自身系統(tǒng)的鏈路進行計算，同時結(jié)合仿真數(shù)據(jù)給出了最佳的帶內(nèi)插損值在4 dB 之內(nèi)。

3）帶外抑制

對于27.095 MHz，要求有盡可能大的抑制。但如果抑制太大，將增加濾波器的階數(shù)，帶來的問題就是增加了帶內(nèi)插損，根據(jù)射頻板鏈路預(yù)算，需要≥50 dB。

對于4.5 MHz 來說，4.5 MHz 屬于應(yīng)答器發(fā)出的頻移鍵控（FSK）頻率，也需考慮應(yīng)答器最大功率發(fā)射對CDMA 信號的干擾，這個信號也需要濾除，根據(jù)鏈路計算，需要≥40 dB。

4）端口駐波具體指標

端口駐波定義，在工作帶11.05 ～16.05 MHz內(nèi)的回波損耗，應(yīng)≤-10 dB。

3 仿真設(shè)計

為保證通帶內(nèi)幅頻特性的平坦度，采用最大平坦型（巴特沃斯）結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計用八節(jié)LC 結(jié)構(gòu)，采用巴特沃斯的目的是通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線具有最大限度平坦，沒有紋波，在阻帶則逐漸下降為零。一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6 dB，每十倍頻20 dB，八階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻48 dB。八階LC結(jié)構(gòu)能有效克服巴特沃斯濾波器較長過渡帶的缺點，滿足在27.095 MHz 和4.5 MHz 抑制，達到本文設(shè)計的要求。建模如圖1 所示。

圖1 帶通濾波器仿真模型Fig.1 Simulation model of the band-pass filter

帶通濾波器仿真結(jié)果如圖2 所示。端口駐波仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖2 帶通濾波器仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of the band-pass filter

圖3 端口駐波仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of the standing wave of the port

仿真結(jié)論如下。

通帶11.05 ～16.05 MHz 內(nèi)，插入損耗最大，為-3.715 dB，在27.09 MHz 處的抑制為-62.033 dB，在4.5 MHz 處的抑制為-74.908 dB，端口駐波最差處為-11.598 dB。

4 電路設(shè)計

大功率設(shè)計需要做冗余設(shè)計，以此來滿足高可靠性。為充分保證設(shè)計的余量能力，本設(shè)計不以BTM發(fā)送板輸出口做參考，而是以BTM 的天線輸入口為參考點進行計算，這樣能保證設(shè)計有余量，電路中含有頻率為27.095 MHz，功率為20 W（+43 dBm）的信號。考慮到線路損耗，按照10 m 電纜長度0.5 dB 衰減來考慮，再考慮其他因數(shù)，比如高、低溫等其他因素條件下預(yù)留0.5 dB 余量，那么設(shè)計時需按照在BTM 發(fā)送板輸出端44 dBm（25 W）以上的功率來計算CDMA 接收機的功率承受能力，因此濾波器和電路接入的前端需要考慮能夠承受25 W以上的信號。電路按照50 Ω 匹配設(shè)計，落在電容上的電壓至少36 V，通過電感的電流最小為0.71 A，考慮到電容和電感的可靠性工作，需要留有足夠的降額設(shè)計。電路的前三級電容390 pF、470 pF 和100 pF 的耐壓為600 V、600 V 和500 V，前三級電感500 nH、390 nH 和500 nH 的電流為4.3 A、4.4 A 和4.3 A。

來自天線的信號不僅有13.5 MHz 的CDMA 小信號，還有27.095 MHz 的激活信號，這個信號幅度很大，功率為25 W。如果不對27.095 MHz 信號抑制處理，直接通過低噪聲放大器（LNA），放大器將承受不住25 W 的高功率信號，器件將會損壞。同時，接收機的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也會被27.095 MHz 信號阻塞，CDMA 信號不能正常解調(diào)解碼，因此必須對27.095 MHz 信號進行抑制處理。另外還需考慮對來自應(yīng)答器信號4.5 MHz 的抑制，防止4.5 MHz信號影響CDMA 的解調(diào)解碼，高功率帶通濾波器就是要達到這個目的，為保障后續(xù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能有效處理工作帶內(nèi)的CDMA 信號。

大功率帶通濾波器和現(xiàn)有濾波器不同點：1）LC 結(jié)構(gòu)形式不同，電感和電容的數(shù)量和數(shù)值都不一樣；2）通帶（工作頻帶）定義不一樣；3）抑制頻點和抑制量定義不一樣；4)濾波器承受功率不同。

J101 是信號輸入連接器，用的MCX，J102 是測試點連接器，信號從J101 輸入，從J102 處測試，分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1 和端口2。如果是連接有大功率信號測試，需要在J102 處先加至少30 dB衰減器，測試是否有大功率信號泄漏，確定沒有后再進行測試，防止損壞儀表。

5 測試驗證

單板生產(chǎn)加工后，在實驗室進行調(diào)試驗證。測試之前用校準件將網(wǎng)絡(luò)分析儀進行校準，然后將單板的輸入和輸出分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1 和端口2進行測試。測試數(shù)據(jù)如圖4、5 所示。

圖4 高功率帶通濾波器測試結(jié)果Fig.4 Test result of the high-power band-pass filter

6 設(shè)計總結(jié)

圖5 高功率濾波器端口駐波測試結(jié)果Fig.5 Test result of the standing wave of the port of the high-power filter

從測試結(jié)果來看，11.05 ～16.05 MHz 帶內(nèi)插損最大-2.772 4 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-3.715 dB，帶外27.095 MHz 處的抑制是-65.130 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-62.033 dB，4.5 MHz 處的抑制是-89.140 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-74.908 dB。11.05 ～16.05 MHz 工作帶內(nèi)的端口駐波小于-11.861 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果-11.598 dB。

通過功率放大器輸出30 W 功率，來驗證濾波器的高功率性能，通過連續(xù)高功率24 h 加電運行，電路各項指標正常。

以上所有測試指標均優(yōu)于定義需求。本設(shè)計已滿足并已成功應(yīng)用于歐洲環(huán)線實際工程中。