微波電調(diào)帶通濾波器的研究

1、引言

電調(diào)濾波器是寬帶微波接收機以及電子對抗系統(tǒng)中的關鍵部件之一， 其性能指標的優(yōu)劣直接影響整機性能。傳統(tǒng)的YIG調(diào)諧濾波器在某些需要快速(μs級)調(diào)諧的場合是不適用的。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)電容的溫度漂移嚴重影響電路性能，因此必須在電路原理以及結(jié)構上精心設 計并采取必要的補償措施。本文介紹了作者在該領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)補償設計的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)。

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λ_g/2諧振器分為兩段λ_g/4線，并在中間引入變?nèi)莨苷{(diào)諧以實現(xiàn)通帶移動。為彌補窄帶情況下很大的通帶插損而引入了一段λ_g/2 耦合線，耦合線的一端接負阻發(fā)生器以抵消諧振器損耗電阻。該電路設計方法簡單，結(jié)構實現(xiàn)容易，但在微波頻率低端體積太大，而且負阻補償電路如設計不當會有 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蟛桓叩膱龊稀?/p>

圖1　終端耦合電調(diào)濾波電路

2.2、微帶環(huán)行諧振器構成的電調(diào)濾波電路　　

圖2為一平均半徑為R的微帶環(huán)行諧振器，滿足關系2πR=Nλ_g（N=0，1，2···）的頻率將發(fā)生諧振。完整的以及于a點開縫后諧振環(huán)上電場分布圖表明，開縫后環(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)莨芗纯蓪崿F(xiàn)由(N+1/2)∫₀往下至N∫₀(∫₀為 基頻)的頻率移動。為使諧振器體積最小同時也為了獲得最大可能的通帶移動范圍，通常取N=1即3/2模為調(diào)諧模式。此種電路結(jié)構緊湊，便于集成至MIC和 MMIC中。然而，此結(jié)構具有偶次寄生模(最低為N=2)，同時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、寬移動范圍電調(diào)濾波的場合仍未得到廣泛應用。

圖2　微帶環(huán)行諧振器電場分布

2.3、梳狀結(jié)構電調(diào)濾波器

圖3電路把由分布電感與集總電容組成的多個并聯(lián)諧振器以磁耦合的方式連接起來達到濾波目的，并通過調(diào)整每個諧振器終端的可變電抗實現(xiàn)通帶移動。理論推導可得出濾波器的絕對帶寬Δω與中心頻率的關系^[4]為：

式中以θ₀代替ω₀之后令d(Δω)/dθ₀=0可發(fā)現(xiàn)Δω關于θ₀有一極大值點。故可設計各諧振器使之當電調(diào)濾波器工作在中心頻率移動范圍的中間值時滿足d(Δω)/dθ₀=0，這樣即可實現(xiàn)濾波器中心頻率倍頻程范圍內(nèi)移動而其絕對通帶帶寬變化最小(這在寬移動范圍時是至關重要的)。另外，通過內(nèi)部導納電平變換技術可使該結(jié)構電路對1%～40%帶寬的濾波響應均能給出易于實現(xiàn)的物理尺寸。該結(jié)構傳輸線長度僅為λ_g/8(寄生通帶遠達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，因而在需要高性能、寬移動范圍電調(diào)濾波電路的場合得到了非常廣泛的應用，但其設計方法較前兩種繁瑣得多。