電調(diào)諧LC濾波器的研究與設(shè)計(jì)

1 引 言

　　通信對(duì)抗系統(tǒng)需要在復(fù)雜的信息環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，需要濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的選擇，濾波器主要應(yīng)用于分離信號(hào)、抑制干擾，這是濾波器最廣泛和最基本的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中，他使所需要頻率的信號(hào)順利通過(guò)，對(duì)不需要的頻率產(chǎn)生抑制。當(dāng)前的通信系統(tǒng)隨著實(shí)際的需要，要求濾波器低插損、低帶內(nèi)波動(dòng)、高信號(hào)選擇性，同時(shí)體積盡可能小，以滿(mǎn)足靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的要求。電調(diào)濾波器具有體積小、工作頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，可很好地抑制二階組合信號(hào)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文利用微波電路CAD設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合可靠的設(shè)計(jì)理論來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以避開(kāi)復(fù)雜的理論計(jì)算，極大地提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和效率，有效縮短研制周期，降低成本。Agilent公司的ADS軟件由于其強(qiáng)大的功能而廣泛應(yīng)用于射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 理論分析

　　100～250 MHz的電調(diào)濾波器可采用LC電調(diào)諧振濾器設(shè)計(jì)方法，改變變?nèi)荻O管的可調(diào)電容進(jìn)行電調(diào)濾波，根據(jù)帶寬，插入損耗，幅度一致性的綜合要求對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　LC電調(diào)諧濾波器實(shí)際上就是同步調(diào)諧濾波器，他由若干個(gè)中心頻率調(diào)諧于W0的并聯(lián)諧振回路組成之所以用并聯(lián)形式，由于串聯(lián)時(shí)偏置回路復(fù)雜，至少需要一個(gè)電阻且電感的雜散電容不易被吸收。選擇同步調(diào)諧濾波器的一個(gè)關(guān)鍵要素在于這種濾波器能夠以簡(jiǎn)單的電路形式實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧，而其他形式的濾波器并非不能實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧而是要實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧的電路較復(fù)雜，且所需變?nèi)莨芊N類(lèi)多，其電特性也極不易同時(shí)滿(mǎn)足需要。設(shè)計(jì)LC電調(diào)諧濾波器實(shí)際相當(dāng)于設(shè)計(jì)諧振放大器，只是這里變?nèi)莨艹蔀殡娐返暮诵摹，F(xiàn)對(duì)變?nèi)莨苤C振電路略做討論和分析。

2.1 變?nèi)荻O管諧振回路

　　圖1和圖2給出2種基本變?nèi)荻O管并聯(lián)諧振回路。

　　在圖1所示電路中，調(diào)諧電壓通過(guò)扼流電感和偏置電阻RB加到變?nèi)莨苌希?lián)電容CS使交流電路閉合，同時(shí)把變?nèi)莨艿呢?fù)極與并聯(lián)電感隔離開(kāi)，從而使調(diào)諧電壓能正確加載。電路中還并聯(lián)了一個(gè)固定電容Cp。放在偏置電阻前的退耦電容容量很大，相當(dāng)于交流接地，故在后續(xù)的討論中可不予考慮。對(duì)高頻交流信號(hào)而言，偏置電阻和串聯(lián)電容是并聯(lián)的。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變換將其變換到并聯(lián)諧振回路中，該等效并聯(lián)電阻RC為：

　　可見(jiàn)由偏置電阻RB引起的阻性損耗RC是頻率的函數(shù)。如果串聯(lián)電容CS的值不是充分大，則有可能導(dǎo)致調(diào)諧電路的帶寬和頻率無(wú)關(guān)。

　　圖2表明所示為調(diào)諧電壓直接加載到變?nèi)荻O管上時(shí)的情況，此時(shí)由偏置電阻RB產(chǎn)生的并聯(lián)損耗電阻可以表示為：

　　該假設(shè)具備一般的代表意義，因?yàn)閷?shí)際電路中，串聯(lián)電容GS的值取通常取得盡可能大，而并聯(lián)電容Cp取值則盡量小。這種電路中，偏置電阻RB的影響要比在圖1所示電路大。所以一般說(shuō)來(lái)，圖1比圖2所示電路更為可取。但在希望通過(guò)偏置電阻RB增加諧振電路在頻率高端處的衰減時(shí)例外。

2.2 變?nèi)莨苤C振回路中的并聯(lián)和串聯(lián)電容

　　電容通常和變?nèi)荻O管串聯(lián)，為了閉合交流電路，同時(shí)考慮到加直流電壓的便利，一般把變?nèi)莨艿囊欢撕碗娐菲渌糠指糸_(kāi)，使調(diào)諧電壓能直接加在二極管上，串聯(lián)電容CS應(yīng)盡量大以便有效電容變化不受影響，然而在一些情況下卻不是如此，例如在接收機(jī)的振蕩電路中，中頻和接收頻率處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，串聯(lián)電容的影響必需考慮。在變?nèi)莨芙Y(jié)電容Ctot串聯(lián)一個(gè)電容CS后，調(diào)諧電容值減少為：

　　此時(shí)，調(diào)諧電容的有效Q值增加到(Q是變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因素)

　　有效電容變化比減少為：

　　式(8)中Cmax，Cmin分別是變?nèi)荻O管的最大結(jié)電容值和最小結(jié)電容值。另一方面，由于串聯(lián)電容分壓，加在變?nèi)荻O管上的交流電壓幅度減小，這樣調(diào)諧電壓的下限值變小，必然是變?nèi)荻O管的最大結(jié)電容Cmax，可用電容變化比就更高，因此串聯(lián)電容產(chǎn)生的影響要比上式估計(jì)值略低。

　　圖1到圖2所示的并聯(lián)電容Cp總是存在的。因?yàn)殡姼芯€圈匝間電容是不可避免的，每個(gè)電感均有其自電容，把這個(gè)自電容等效為并聯(lián)的電容Cp，且認(rèn)為是無(wú)耗的，則總的調(diào)諧電容值升高。如果CS足夠大，可以忽略他的影響，則得到有效調(diào)諧電容為：

　　由式(11)不難看出，即使并聯(lián)電容相Cp當(dāng)小，也能引起有效電容變比的明顯下降。因此設(shè)計(jì)電路時(shí)就必須使電感的自電容盡可能地小。

2.3 變?nèi)莨苤C振回路的調(diào)諧范圍

　　考慮圖1所示變?nèi)莨苤C振電路，不難看出回路的頻率調(diào)諧范圍依賴(lài)于變?nèi)莨艿挠行щ娙葑儽群碗娐分胁?、串?lián)電容的大小。

　　經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可得到如下調(diào)諧比表達(dá)式：

　　在多數(shù)情況下，串聯(lián)電容取值足夠大，他的影響可以忽略。上式可以簡(jiǎn)化為：

　　由式(13)可得到要獲得規(guī)定的頻率調(diào)諧范圍時(shí)，諧振電路中所需要變?nèi)莨艿膮?shù)——最大結(jié)電容和最小結(jié)電容比。

2.4 變?nèi)莨苤C振回路的跟蹤

　　一些設(shè)備要求在調(diào)諧時(shí)，2個(gè)或多個(gè)同時(shí)調(diào)諧的電路之間的頻率關(guān)系保持恒定，即稱(chēng)之為跟蹤(Tracking)。這要求各變?nèi)莨茉谌我庹{(diào)諧電壓時(shí)的偏差均很小。在要求覆蓋相同的頻率寬度，但各自的起止頻率不同時(shí)。(比如超外差式接收機(jī)中本振和射頻電路就是這樣)，就需要特別留意減小跟蹤誤差。根據(jù)前述對(duì)不同的變?nèi)莨埽梢酝ㄟ^(guò)串聯(lián)或并聯(lián)不同的電容來(lái)減小跟蹤誤差，其所必須預(yù)先考慮的頻偏可描述為：

3 電路仿真

　　通常，電調(diào)諧濾波采用雙極點(diǎn)調(diào)諧濾波，諧振回路分為串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路，通過(guò)電感或電容進(jìn)行耦合。此電調(diào)濾波器采用的是并聯(lián)諧振回路，用電感進(jìn)行耦合。在進(jìn)行仿真之前，需要建立仿真模型和設(shè)計(jì)各種參數(shù)?；谝陨夏Ｐ停肁DS軟件對(duì)電調(diào)濾波器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。由于系統(tǒng)要求對(duì)該電調(diào)濾波器進(jìn)行AGC控制，所以在仿真時(shí)加入雙柵FET。傳輸函數(shù)S21、頻率范圍設(shè)在10～350 MHz、電容在2.6～39 pF之間變化，仿真使用的放大器是NE25118。最終的ADS模型仿真結(jié)果如下面兩組曲線所示。若LC濾波器不使用放大器，仿真結(jié)果中可以看出濾波器的插損在2～3 dB左右。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

　　仿真后依照仿真的結(jié)果選擇印制板材料FR4，厚度，設(shè)計(jì)PCB微帶線寬高比，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配時(shí)，一定要考慮結(jié)構(gòu)緊湊、合理，最后用惠普公司的網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)試濾波器。

　　元件品質(zhì)因素Q不夠大，會(huì)在截至范圍內(nèi)使頻率響應(yīng)下凹或變圓滑，有限的Q值也將引起任意阻帶的零點(diǎn)附近的抑制變差，使得濾波器的插入損耗增加。所以使用Q值較大的變?nèi)荻O管和電感時(shí)，濾波器波形得到明顯改善，但由于實(shí)際原因，測(cè)試時(shí)用的是國(guó)產(chǎn)變?nèi)莨躗TV9800，Q值較低，所以對(duì)波形有一定的影響。由于考慮到在系統(tǒng)中，對(duì)此電調(diào)濾波器將進(jìn)行AGC控制，即電路自適應(yīng)地調(diào)整信號(hào)通道增益的裝置能保證模擬信號(hào)不超出模擬器件的線型范圍，所以項(xiàng)目采用工作頻率在100～1 300 MHz的雙柵FETS888T作為放大器，由于實(shí)際采用的放大器和設(shè)計(jì)時(shí)用的放大器存在差異，放大倍數(shù)也不相同，故測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果相比，得到的S21值不同，且波形也存在一定差異，這些問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。圖5，圖6為在各個(gè)調(diào)諧電壓(DC)下的測(cè)試結(jié)果。

　　加上不同的直流偏壓時(shí)，變?nèi)荻O管的電容值會(huì)發(fā)生改變，單個(gè)諧振器的諧振頻率也發(fā)生變化，濾波器的中心頻率相應(yīng)地發(fā)生移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的電調(diào)。

　　從測(cè)試中可以看出，調(diào)諧頻率100～250 MHz，隨著中心頻率的增大，相對(duì)帶寬雖略有所增大但變化不大，都是窄帶濾波器。在增益方面，放上放大器以后，100～250 MHz頻段內(nèi)增益在7.5～12 dB之間，全頻段幅度一致性在4 dB以?xún)?nèi)，帶外抑制大于40 dB，并具有良好的溫度性能和較小的插入損耗(選用GaAs高Q值的變?nèi)莨芸傻玫竭M(jìn)一步改善)，符合實(shí)用要求，也和仿真結(jié)果相符合。

　　在理論上，濾波器的波形左右兩邊應(yīng)該是大致對(duì)稱(chēng)的，但在測(cè)試結(jié)果中100 MHz左右有一個(gè)很陡的衰減是因?yàn)榉糯笃鞯南孪薰ぷ黝l率在100 MHz以上，所以100 MHz以下的信號(hào)沒(méi)有得到放大而造成的。若能采用工作頻率的起始頻率在100 MHz以下的放大器，上圖低頻段的波形將會(huì)改善很多。值得一提的是，在有源濾波器中選擇放大器時(shí)要慎重考慮放大器的直流失調(diào)和擺率限制等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

　　電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)是一個(gè)需要不斷研究并且完善的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)中可以看出電調(diào)濾波器調(diào)諧元件的Q值對(duì)濾波器的性能影響非常大，所以采用Q值較高的器件調(diào)諧元件或設(shè)計(jì)補(bǔ)償?shù)蚎值的幅度均衡器很有必要。在采用電壓調(diào)諧時(shí)，選用的隔直電容也會(huì)參加調(diào)諧，當(dāng)電調(diào)濾波器指標(biāo)要求較高時(shí)，也應(yīng)該慎重選擇。此電調(diào)濾波器體積小，只有30 mm×30 mm×15 mm。其主要性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且調(diào)試簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，成本低廉，同時(shí)也可使小型化系列產(chǎn)品更加完善。