基于DTC技術(shù)可調(diào)諧帶通濾波器研究設(shè)計

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

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

　　關(guān)鍵詞：DTC技術(shù)；雙調(diào)諧技術(shù)；ADS仿真軟件。

　　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(shè)備抗干擾能力，有效提高設(shè)備靈敏度性能，在調(diào)頻電臺、無線電監(jiān)測、電子對抗等軍事裝備中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著移動通信的發(fā)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(shè)備信號失真、性能下降，研究微波可調(diào)諧濾波器具有非常重要的意義和實際應(yīng)用價值。

　　對于微波可調(diào)諧濾波器，除了頻率、帶寬、插損、回波損耗等性能指標(biāo)，調(diào)諧速度、調(diào)諧范圍等指標(biāo)同樣重要，而調(diào)諧速度指標(biāo)取決于濾波器的調(diào)諧方式。隨著新技術(shù)和新材料在微波可調(diào)諧濾波器中的應(yīng)用，現(xiàn)代微波可調(diào)諧濾波器分為YIG（Yttrium-Iron-Garnet）濾波器、BST（Barium Strontium Titanate）濾波器、變?nèi)荻O管濾波器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）濾波器等。YIG濾波器采用磁調(diào)，可調(diào)范圍寬，但是體積大，調(diào)諧速度慢，成本高；BST濾波器品質(zhì)因素低，線性度較差；變?nèi)荻O管濾波器調(diào)諧速度快，然而線性度較低；MEMS濾波器體積小，調(diào)諧速度快，但是需要復(fù)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(fā)展，半導(dǎo)體數(shù)字可調(diào)電容DTC（Digitally Tunable Capacitor）被用于微波可調(diào)諧濾波器中，本文介紹的就是基于DTC技術(shù)的420 MHz～520 MHz可調(diào)諧帶通濾波器。

　　1 組成及原理

　　1.1 組成

　　可調(diào)諧帶通濾波器 ^[1] 由DTC和空心電感體構(gòu)成，電路組成如圖1所示。

　　1.2 基于DTC的帶通濾波器原理

　　DTC技術(shù)是經(jīng)過長期發(fā)展目前已得到成熟應(yīng)用的技術(shù)，其利用了MEMS（微機械機電系統(tǒng)）來實現(xiàn)內(nèi)部電容的改變，在天線可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)等方面應(yīng)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(yōu)于變?nèi)莨艿绕骷男阅堋?/p>

　　基于DTC的可調(diào)諧帶通濾波器 ^[1] 采用數(shù)字可調(diào)電容來實現(xiàn)并聯(lián)LC諧振器，具有相對帶寬較窄、插入損耗低、體積小、調(diào)諧速度快、承受功率大和制作容易等優(yōu)點。

　　利用符合MIPI標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口對可調(diào)諧濾波器進行全數(shù)字調(diào)控，電路原理圖如圖2。

　　1.2.1 原理設(shè)計

　　諧振回路采用LC集總參數(shù)模型 ^[2] 設(shè)計，整個回路封閉在屏蔽空間內(nèi)，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(xiàn)全頻段覆蓋，因此電容的選定有一定要求：

　?。?）可調(diào)電容極值要能夠覆蓋頻段高、低頻率；

　?。?）最小可調(diào)電容要能夠保證濾波頻段內(nèi)不出現(xiàn)遺漏頻點。

　　本諧振回路中的電容采用數(shù)字可調(diào)電容實現(xiàn)，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。主要性能如表1所示。

　　如圖1所示，諧振回路采用雙調(diào)諧電容耦合方式。雙調(diào)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(dǎo)致濾波器波形變形，降低濾波器指標(biāo)，因此在設(shè)計和調(diào)試過程中需盡量減少誤差。設(shè)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(biāo)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(biāo)越好，因此在設(shè)計時盡量選取具有較高Q值的L和C。本濾波器設(shè)計時，電感L選取了Spring公司的空心線圈產(chǎn)品；電容C采用的是DTC產(chǎn)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(biāo)要求情況下盡量選取容值較小部分。

　　1.2.2 ADS仿真

DTC技術(shù)；雙調(diào)諧技術(shù)；ADS仿真軟件。綜合考慮設(shè)計要求后，采用了分離元件與DTC電容搭配設(shè)計方式，根據(jù)濾波器的衰減特性，確定雙調(diào)諧諧振回路可以滿足設(shè)計目標(biāo)。

　　利用ADS仿真軟件 ^[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(shù)據(jù)結(jié)果，可知ADS原理仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

　　1.2.3 理論計算

　　由于雙調(diào)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(jù)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：

　　說明： f _L 為頻段內(nèi)最低頻率； f _H 為頻段內(nèi)最高頻率；?C為頻段內(nèi)最大切換電容差值（設(shè)計規(guī)劃值）。

　　2 實際設(shè)計

　　2.1 實物設(shè)計

　　根據(jù)設(shè)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(shè)計采用的是RogersRO4350B的板材，其具有以下特點：

　　a）介電常數(shù)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(shè)計和布板 ^[4] ：雙調(diào)諧回路為對稱式電路，在設(shè)計時應(yīng)盡量保證輸入/輸出電路對稱；另外，由于設(shè)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(nèi)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(qū)間使用。

　　2.2 實物測試指標(biāo)

　　依據(jù)上述設(shè)計，在實物調(diào)試過程中存在一些偏差但不影響整體性能。

　　采用Agilent 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器進行了調(diào)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(shè)置電容值。由此結(jié)果可知，本設(shè)計方案已經(jīng)達到設(shè)計指標(biāo)要求。

　　由于分布參數(shù)和WS1050內(nèi)部電容值的差異導(dǎo)致設(shè)置電容值不是完全對稱，具體設(shè)置容值如表2所示。

　　3 設(shè)計目標(biāo)

　?。?）頻率：420 MHz~520 MHz；

　?。?）最大輸入功率：1 W；

　?。?）駐波比：≤2.0；

　　（4）1 dB帶寬：≥5%；

　　（5）插損：≤2.5 dB；

　?。?）選擇性：≥10 dB（偏離f 0 +2 MHz以外）；

　?。?）工作溫度：﹣25 ℃～55 ℃。

　?。?）尺寸：25 mm×20 mm×7 mm（長×寬×高）。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計的微波可調(diào)諧濾波器基于DTC技術(shù)，具有體積小、成本低、承受功率高、調(diào)諧速度快和電路簡單等優(yōu)點，適應(yīng)現(xiàn)代日益復(fù)雜的電磁環(huán)境要求，滿足射頻和微波通信領(lǐng)域中器件小型化、高性能要求，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　參考文獻

　　[1] 甘本波，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：北京科學(xué)出版社，1973.

　　[2] LUDWIG R，BOGDANOW G.射頻電路設(shè)計：理論與應(yīng)用[M].王子宇，王心悅，等，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

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

　　[4] 余靜波 .基于ADS2009 微帶帶通濾波設(shè)計優(yōu)化[J].通信技術(shù)，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(yè)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(chǎn)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。