微波電調(diào)帶通濾波器的研究

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1、引言

電調(diào)濾波器是寬帶微波接收機(jī)以及電子對(duì)抗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響整機(jī)性能。傳統(tǒng)的YIG調(diào)諧濾波器在某些需要快速(μs級(jí))調(diào)諧的場(chǎng)合是不適用的。因而，以變?nèi)莨転檎{(diào)諧元件的電調(diào)濾波電路得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而在窄帶(<2%)調(diào)諧情況下，諧振元件尤其是變?nèi)莨芙Y(jié)電容的溫度漂移嚴(yán)重影響電路性能，因此必須在電路原理以及結(jié)構(gòu)上精心設(shè)計(jì)并采取必要的補(bǔ)償措施。本文介紹了作者在該領(lǐng)域研究工作中所涉及的三種最典型的電調(diào)濾波電路，給出了一種采用懸置帶線加介質(zhì)補(bǔ)償設(shè)計(jì)的L波段電調(diào)濾波電路的研制結(jié)果，并提供了該電路的CAD全波分析數(shù)據(jù)。

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2、常用的電調(diào)濾波電路

2.1、終端耦合電調(diào)濾波電路[1]

如圖1所示，該電路是將λg/2諧振器分為兩段λg/4線，并在中間引入變?nèi)莨苷{(diào)諧以實(shí)現(xiàn)通帶移動(dòng)。為彌補(bǔ)窄帶情況下很大的通帶插損而引入了一段λg/2耦合線，耦合線的一端接負(fù)阻發(fā)生器以抵消諧振器損耗電阻。該電路設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容易，但在微波頻率低端體積太大，而且負(fù)阻補(bǔ)償電路如設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)有不必要的振蕩產(chǎn)生，加之該電路存在二次寄生通帶，因而限制了其使用范圍僅為較高微波頻段(一般6GHz以上)且?guī)庖种埔蟛桓叩膱?chǎng)合。

圖1　終端耦合電調(diào)濾波電路

2.2、微帶環(huán)行諧振器構(gòu)成的電調(diào)濾波電路　　

圖2為一平均半徑為R的微帶環(huán)行諧振器，滿足關(guān)系2πR=Nλg（N=0，1，2···）的頻率將發(fā)生諧振。完整的以及于a點(diǎn)開(kāi)縫后諧振環(huán)上電場(chǎng)分布圖表明，開(kāi)縫后環(huán)上的最低模已并非奇次模而是另一種新模式——半模。于縫隙處引入一變?nèi)莨芗纯蓪?shí)現(xiàn)由(N+1/2)∫0往下至N∫0(∫0為基頻)的頻率移動(dòng)。為使諧振器體積最小同時(shí)也為了獲得最大可能的通帶移動(dòng)范圍，通常取N=1即3/2模為調(diào)諧模式。此種電路結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成至MIC和MMIC中。然而，此結(jié)構(gòu)具有偶次寄生模(最低為N=2)，同時(shí)在窄帶情形下饋入及輸出縫隙很大，加上諧振環(huán)Q值較低導(dǎo)致通帶插損非常大，盡管許多有效措施諸如消除寄生模[2]、介質(zhì)加載[3]等技術(shù)的采用使得該電路在性能上得到了一定的改善，但在需要窄帶、寬移動(dòng)范圍電調(diào)濾波的場(chǎng)合仍未得到廣泛應(yīng)用。

圖2　微帶環(huán)行諧振器電場(chǎng)分布

2.3、梳狀結(jié)構(gòu)電調(diào)濾波器

圖3電路把由分布電感與集總電容組成的多個(gè)并聯(lián)諧振器以磁耦合的方式連接起來(lái)達(dá)到濾波目的，并通過(guò)調(diào)整每個(gè)諧振器終端的可變電抗實(shí)現(xiàn)通帶移動(dòng)。理論推導(dǎo)可得出濾波器的絕對(duì)帶寬Δω與中心頻率的關(guān)系[4]為：

式中以θ0代替ω0之后令d(Δω)/dθ0=0可發(fā)現(xiàn)Δω關(guān)于θ0有一極大值點(diǎn)。故可設(shè)計(jì)各諧振器使之當(dāng)電調(diào)濾波器工作在中心頻率移動(dòng)范圍的中間值時(shí)滿足d(Δω)/dθ0=0，這樣即可實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率倍頻程范圍內(nèi)移動(dòng)而其絕對(duì)通帶帶寬變化最小(這在寬移動(dòng)范圍時(shí)是至關(guān)重要的)。另外，通過(guò)內(nèi)部導(dǎo)納電平變換技術(shù)可使該結(jié)構(gòu)電路對(duì)1%～40%帶寬的濾波響應(yīng)均能給出易于實(shí)現(xiàn)的物理尺寸。該結(jié)構(gòu)傳輸線長(zhǎng)度僅為λg/8(寄生通帶遠(yuǎn)達(dá)4倍中心頻率)，即便在L波段或UHF波段也能給出較小的電路體積。此方案相比于其他方案，有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在需要高性能、寬移動(dòng)范圍電調(diào)濾波電路的場(chǎng)合得到了非常廣泛的應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)方法較前兩種繁瑣得多。

圖3　梳狀結(jié)構(gòu)電調(diào)濾波器

3、研制結(jié)果

在對(duì)各種電調(diào)濾波方案深入研究的基礎(chǔ)上，我所成功地研制了專用電調(diào)濾波模塊。根據(jù)工程需要，此模塊BW3dB僅為115%，工作溫度為-55～+85℃，這對(duì)電路的溫度及參數(shù)性能提出相當(dāng)高的要求。為此，我們運(yùn)用梳狀電調(diào)濾波設(shè)計(jì)原理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并利用懸置帶線結(jié)構(gòu)的高Q及溫度穩(wěn)定性對(duì)電路進(jìn)行具體實(shí)施。考慮到變?nèi)莨軠囟刃阅転橛绊戨娐窚囟确€(wěn)定性及插損指標(biāo)的主要因素，我們?cè)谥C振電路中引入一個(gè)負(fù)溫補(bǔ)償電抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)變?nèi)莨苓M(jìn)行串并處理，極大程度地改善了模塊溫度性能，同時(shí)降低了電調(diào)濾波器對(duì)多個(gè)諧振器間變?nèi)莨芙Y(jié)電容一致性的要求，使得電路制作成本及調(diào)試難度大大降低。最終達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

·中心頻率移動(dòng)： 1338～ 1575MHz;
·調(diào)諧電壓： 4～ 18V (DC) ;
·3dB 帶寬： 17～ 20MHz;
·中心頻率插損： F 10dB;
·阻帶衰減(f 0±63MHz) ： > 33dB (低端 40dB) ;
·工作溫度： - 55～ + 85℃。

由指標(biāo)看出，該模塊在調(diào)諧過(guò)程中絕對(duì)帶寬基本恒定，并具有良好溫度性能和較小的插入損耗(選用GaAs高Q變?nèi)莨茉撝笜?biāo)可得到進(jìn)一步改善)。該模塊已通過(guò)各項(xiàng)考核試驗(yàn)，具有很高可靠性等級(jí)。超突變結(jié)變?nèi)莨艿倪x用可使其移動(dòng)范圍達(dá)500MHz，目前我所可提供530～1800MHz內(nèi)分段覆蓋的系列化電調(diào)濾波產(chǎn)品。

在以理論分析為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們還運(yùn)用美國(guó)Ansoft公司Serenade710微波CAD軟件對(duì)基于該理論的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全波分析與驗(yàn)證并得到了滿意的結(jié)果。

圖4為對(duì)電路的全波分析仿真結(jié)果，濾波響應(yīng)仿真曲線與實(shí)測(cè)(圖中未畫(huà)實(shí)測(cè)曲線)的頗為接近。該CAD輔助工具對(duì)于簡(jiǎn)化電調(diào)濾波電路的設(shè)計(jì)與制作以及縮短開(kāi)發(fā)周期無(wú)疑會(huì)有很大幫助。

圖4　梳狀電調(diào)濾波電路全波分析曲線

4、結(jié)束語(yǔ)

電調(diào)濾波電路的種類還有很多，本文僅介紹其中較為典型的三種，采用何種方案需依整機(jī)要求而定。目前，為適應(yīng)整機(jī)小型、數(shù)字化發(fā)展需要，電調(diào)濾波電路也正朝體積小型化、控制數(shù)字化邁進(jìn)。

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