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基于DTC技術可調諧帶通濾波器研究設計

作者:江 燕,廖 偉,張海玉時間:2019-12-26來源:電子產品世界收藏

  江?燕,廖?偉,張海玉(同方電子科技有限公司,江西?九江?332100)

本文引用地址:http://www.opuaih.live/article/201912/408684.htm

  摘?要:可調諧濾波器作為設備的重要組成部分,它設計好壞直接影響了微波設備的性能指標。本文設計了一種基于的420 MHz~520 MHz可調諧帶通濾波器,闡述了該濾波器的原理以及優點,進行了仿真和制作,仿真結果、測試結果與設計要求吻合,該設計方法具有較高的應用價值。

  關鍵詞:

  0 引言

  濾波器從雜亂的信號頻譜中提取有用信號頻率,濾除工作頻段以外的無用信號,可以增強設備抗干擾能力,有效提高設備靈敏度性能,在調頻電臺、無線電監測、電子對抗等軍事裝備中廣泛應用。近年來,隨著移動通信的發展,各種電磁噪聲、電磁干擾疊加在有用電磁頻譜之上,造成設備信號失真、性能下降,研究微波可調諧濾波器具有非常重要的意義和實際應用價值。

  對于微波可調諧濾波器,除了頻率、帶寬、插損、回波損耗等性能指標,調諧速度、調諧范圍等指標同樣重要,而調諧速度指標取決于濾波器的調諧方式。隨著新技術和新材料在微波可調諧濾波器中的應用,現代微波可調諧濾波器分為YIG(Yttrium-Iron-Garnet)濾波器、BST(Barium Strontium Titanate)濾波器、變容二極管濾波器、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)濾波器等。YIG濾波器采用磁調,可調范圍寬,但是體積大,調諧速度慢,成本高;BST濾波器品質因素低,線性度較差;變容二極管濾波器調諧速度快,然而線性度較低;MEMS濾波器體積小,調諧速度快,但是需要復雜的偏置電路,工藝集成度要求較高。

  隨著CMOS微電子集成工藝的迅速發展,半導體數字可調電容DTC(Digitally Tunable Capacitor)被用于微波可調諧濾波器中,本文介紹的就是基于的420 MHz~520 MHz可調諧帶通濾波器。

  1 組成及原理

  1.1 組成

  可調諧帶通濾波器 [1] 由DTC和空心電感體構成,電路組成如圖1所示。

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  1.2 基于DTC的帶通濾波器原理

  DTC技術是經過長期發展目前已得到成熟應用的技術,其利用了MEMS(微機械機電系統)來實現內部電容的改變,在天線可調匹配網絡等方面應用廣泛,具有高Q值、高線性度、承受功率大、易編程控制、易變電容陣列且成本低、體積小、功耗低等特點,大大優于變容管等器件的性能。

  基于DTC的可調諧帶通濾波器 [1] 采用數字可調電容來實現并聯LC諧振器,具有相對帶寬較窄、插入損耗低、體積小、調諧速度快、承受功率大和制作容易等優點。

  利用符合MIPI標準的SPI接口對可調諧濾波器進行全數字調控,電路原理圖如圖2。

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  1.2.1 原理設計

  諧振回路采用LC集總參數模型 [2] 設計,整個回路封閉在屏蔽空間內,減少相互干擾。通過改變諧振回路中的電容值來達到換頻目的。由于要實現全頻段覆蓋,因此電容的選定有一定要求:

  (1)可調電容極值要能夠覆蓋頻段高、低頻率;

  (2)最小可調電容要能夠保證濾波頻段內不出現遺漏頻點。

  本諧振回路中的電容采用數字可調電容實現,其性能指標完全滿足設計要求。主要性能如表1所示。

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  如圖1所示,諧振回路采用雙調諧電容耦合方式。雙調諧為完全對稱電路形式,理論要求兩端電感值和電容值均相等,實際會存在偏差導致濾波器波形變形,降低濾波器指標,因此在設計和調試過程中需盡量減少誤差。設計時減少誤差方式主要有理論計算和ADS仿真計算。

  LC帶通濾波器的指標主要取決于器 件 L 和C的無載Q值,Q值越高帶通濾波器性能指標越好,因此在設計時盡量選取具有較高Q值的L和C。本濾波器設計時,電感L選取了Spring公司的空心線圈產品;電容C采用的是DTC產品,其Q值特性如圖3所示。從圖3中可知電容值越小時Q值越高,因此在滿足性能指標要求情況下盡量選取容值較小部分。

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  1.2.2 ADS仿真

DTC技術;。綜合考慮設計要求后,采用了分離元件與DTC電容搭配設計方式,根據濾波器的衰減特性,確定雙調諧諧振回路可以滿足設計目標。

  利用 [3] 建立如圖4所示的原理仿真圖,并得到如圖5、圖6所示的數據結果,可知ADS原理仿真結果滿足設計要求。

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  1.2.3 理論計算

  由于雙調諧回路無載Q值和耦合度適配存在頻帶范圍限制,同時依據選用的DTC器件WS1050的電容值范圍,從而可以通過如下公式 [2] 計算:

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  說明: f L 為頻段內最低頻率; f H 為頻段內最高頻率;?C為頻段內最大切換電容差值(設計規劃值)。

  2 實際設計

  2.1 實物設計

  根據設計要求其頻率較高、承受功率大的特性,因此需要注意以下三項:

  1)材料選擇:基板材料實物設計采用的是RogersRO4350B的板材,其具有以下特點:

  a)介電常數比較小,減少濾波器損耗;

  b)該板材為陶瓷板材,有利于器件散熱。

  2)電路設計和布板 [4] :雙調諧回路為對稱式電路,在設計時應盡量保證輸入/輸出電路對稱;另外,由于設計頻率較高從而各器件布局時不要間隔距離不宜過大;

  3)WS1050容值選擇:由于容值變化范圍內Q值差異較大(如圖3所示),從而使用時選取Q值較高的電容區間使用。

  2.2 實物測試指標

  依據上述設計,在實物調試過程中存在一些偏差但不影響整體性能。

  采用Agilent 矢量網絡分析儀對濾波器進行了調試和測試,得到如圖7~圖11所示的實物測量曲線和如表2所示的WS1050設置電容值。由此結果可知,本設計方案已經達到設計指標要求。

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  由于分布參數和WS1050內部電容值的差異導致設置電容值不是完全對稱,具體設置容值如表2所示。

  3 設計目標

  (1)頻率:420 MHz~520 MHz;

  (2)最大輸入功率:1 W;

  (3)駐波比:≤2.0;

  (4)1 dB帶寬:≥5%;

  (5)插損:≤2.5 dB;

  (6)選擇性:≥10 dB(偏離f 0 +2 MHz以外);

  (7)工作溫度:﹣25 ℃~55 ℃。

  (8)尺寸:25 mm×20 mm×7 mm(長×寬×高)。

  4 結論

  本文設計的微波可調諧濾波器基于DTC技術,具有體積小、成本低、承受功率高、調諧速度快和電路簡單等優點,適應現代日益復雜的電磁環境要求,滿足射頻和微波通信領域中器件小型化、高性能要求,有著非常廣泛的應用前景。

  參考文獻

  [1] 甘本波,吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計[M].北京:北京科學出版社,1973.

  [2] LUDWIG R,BOGDANOW G.射頻電路設計:理論與應用[M].王子宇,王心悅,等,譯.2版.北京:電子工業出版社,2013.

  [3] 徐興福 .ADS2008 射頻電路設計與仿真實例[M].2版.北京:電子工業出版社,2013.

  [4] 余靜波 .基于ADS2009 微帶帶通濾波設計優化[J].通信技術,2010,43(11):26-27,30.

  [5] Altium Designer 10從入門到精通-2版[M].北京:機械工業出版社,2011.

  作者簡介

  江燕(1981—),女,工程師,研究方向為電子線路和無線電通信。

  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第01期第75頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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