一種C波段大功率電調(diào)濾波器設(shè)計

魏 強,李曉東，王 彬, 蔣廷利，周 雨，邱海蓮

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060；2. 西南大學(xué) 電子工程系，重慶 400715；3.云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室 云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031)

0 引言

現(xiàn)代武器系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境日趨擁擠、異常復(fù)雜，頻率捷變是電子抗干擾最主要的技術(shù)手段，電調(diào)濾波器是實現(xiàn)抗干擾微波系統(tǒng)的重要部件[1-2]。

綜合文獻(xiàn)[3-4]分析，對于U/V、L頻段的電調(diào)濾波器報道較多，而對于C波段和更高頻段的電調(diào)濾波器報道較少。

目前電調(diào)濾波器設(shè)計存在的難點有：

1) 濾波器失諧問題[5-7]。如何解決濾波器相對帶寬隨頻率變化而發(fā)生顯著變化的問題。

2) 伺服機構(gòu)控制精度問題[8]。如何解決運動機構(gòu)微行程、高精度、重復(fù)性的問題。

在工程應(yīng)用中，還需解決溫度、振動沖擊等多種因素造成的頻率漂移、誤差問題。

本文介紹了一種恒定帶寬耦合機構(gòu)和運動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計方法，并在此基礎(chǔ)上完成了一款大功率C波段電調(diào)濾波器的研制，實測結(jié)果和理論仿真吻合，滿足工程所需。

1 電調(diào)濾波器設(shè)計

電調(diào)濾波器的頻率為4 400～5 000 MHz，帶寬≥40 MHz，插入損耗≤1 dB，(f0±100 MHz)(f0為中心頻率)帶外抑制≥50 dBc，承受功率≥400 W，調(diào)頻步進(jìn)為10 MHz。高帶外抑制和大功率是本濾波器的設(shè)計難點。

C波段電調(diào)濾波器有波導(dǎo)、同軸腔、釔鐵石榴石(YIG)磁調(diào)3種實現(xiàn)方式[9]。YIG磁調(diào)濾波器性能優(yōu)良，但其耐功率低。

技術(shù)指標(biāo)要求調(diào)諧頻率為4 400～5 000 MHz，對應(yīng)波長變化0.82 mm。若采用λ/4(λ為自由空間波長)同軸腔，調(diào)諧行程為0.2 mm。若采用BJ48波導(dǎo)諧振腔，通過調(diào)諧銷釘從波導(dǎo)H面插入，仿真計算，采用直徑為?10 mm的調(diào)諧銷釘，其調(diào)諧行程為27 mm，可覆蓋的頻率為4.3～5.1 GHz。與同軸腔方案相比，從調(diào)諧精度上看，波導(dǎo)的調(diào)諧行程較長，調(diào)諧精度低，易工程實現(xiàn)。

此外，波導(dǎo)濾波器的峰值功率容量(介質(zhì)為空氣)為

(1)

式中：a、b分別為矩形波導(dǎo)截面長和寬；E為空氣擊穿電場強度。由式(1)可估算BJ48波導(dǎo)諧振腔的最大功率容量為467 kW，遠(yuǎn)大于相同尺寸同軸腔的承受功率。

采用KQ變換法[10]，四階切比雪夫濾波器低通原型參數(shù)為g0=0.712 8，g1=1.200 3，g2=1.321 2，g3=0.647 6，g4=1.100 7。通過網(wǎng)絡(luò)變換，實現(xiàn)此濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濾波器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

圖1中,各個腔間耦合系數(shù)Kij、諧振回路中的電感L、電容C、電阻R分別為

(2)

(3)

(4)

式中：BW為濾波器的絕對帶寬;Q0為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。采用從圖1求出的耦合系數(shù)Kij作為耦合結(jié)構(gòu)仿真理論值。

1.1 腔間耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

由式(2)可見，當(dāng)腔間耦合系數(shù)Kij為定值時，隨著頻率的升高，BW也應(yīng)增大。理想的電調(diào)濾波器需要設(shè)計一種耦合結(jié)構(gòu)，在整個調(diào)諧頻率范圍內(nèi)，保持BW為定值的條件下，使Kij與中心頻率f0的變化成反比，即要求Kij隨f0的升高而降低，才能達(dá)到帶寬恒定的目標(biāo)。

物理結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)Ksim可以利用本征值計算公式求得，即

(5)

式中f1、f2為軟件求得的2個本征模頻率值。

定義Kij與Ksim之差的絕對值為ΔK，則有

ΔK=|Kij-Ksim|

(6)

通過給定的恒定濾波器帶寬BW來確定Kij為頻率的函數(shù)，即Kij(f)，并以式(6)作為目標(biāo)函數(shù)，尋找合適的物理耦合結(jié)構(gòu)，使ΔK恒趨近于0，解決失諧問題。

E面金屬膜片濾波器是由在矩形波導(dǎo)寬邊插入與E面平行的金屬膜片和矩形波導(dǎo)共同構(gòu)成，金屬膜片起耦合作用，相鄰膜片間構(gòu)成諧振腔。通過改變這些金屬膜片高度或?qū)挾龋瑢崿F(xiàn)集總元件(電容或電感)，圖2為在矩形波導(dǎo)中插入電容、電感膜片的物理結(jié)構(gòu)及其等效電路。圖中，δ為膜片的厚度,B為電導(dǎo)，Y0為輸出導(dǎo)納。

圖2 波導(dǎo)濾波器電容、電感等效耦合結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)E面波導(dǎo)濾波器耦合結(jié)構(gòu)通常只采用單一的電感或電容膜片，膜片厚度、位置偏置結(jié)構(gòu)參數(shù)與濾波器的中心頻率、通帶帶寬有密切的聯(lián)系[11]，不能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍調(diào)諧。

通過分析E面波導(dǎo)濾波器耦合理論和仿真計算，最終選定的腔間耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種耦合結(jié)構(gòu)由全高電感膜片和半高電容膜片共同構(gòu)成，滿足式(6)要求，確定耦合結(jié)構(gòu)尺寸的初值。

圖3 恒定帶寬混合耦合結(jié)構(gòu)

1.2 濾波器設(shè)計

濾波器由耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔級聯(lián)而成, 如圖4所示。

圖4 波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)剖分

將濾波器拆分為耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真、諧振器長度仿真、濾波器整體仿真3個步驟。

1) 耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真。按照圖3所示結(jié)構(gòu)建模, 仿真其在中心頻率4.7 GHz處的傳輸系數(shù)S12值，直到其S12的仿真結(jié)果與理論數(shù)據(jù)相符, 求出耦合結(jié)構(gòu)的初值。

2) 諧振器腔體長度仿真。根據(jù)耦合結(jié)構(gòu)的尺寸建立諧振器模型, 調(diào)整諧振器的長度，使單腔諧振器的諧振頻率與所要求的濾波器通帶中心頻率一致, 即可以算出諧振器的長度。

3) 濾波器整體仿真。把所有的耦合結(jié)構(gòu)和諧振器結(jié)構(gòu)交替級聯(lián)起來(見圖5)，利用場路結(jié)合、協(xié)同仿真[12]的方法, 對濾波器進(jìn)行整體仿真優(yōu)化, 完成濾波器設(shè)計。

圖5 波導(dǎo)濾波器協(xié)同仿真

圖6為波導(dǎo)濾波器仿真頻響。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，在4.4 GHz、4.7 GHz、5 GHz 3個頻點，帶寬分別為47 MHz、43 MHz、45 MHz，偏離中心頻率100 MHz，抑制度分別為55 dB、65 dB、65 dB，在整個調(diào)諧頻段內(nèi)帶寬變化≤5 MHz，駐波、抑制等指標(biāo)滿足要求。

圖6 波導(dǎo)濾波器仿真頻響

2 執(zhí)行機構(gòu)軟硬件設(shè)計

2.1 執(zhí)行機構(gòu)硬件設(shè)計

為滿足設(shè)計指標(biāo)，要求電調(diào)濾波器伺服機構(gòu)位置控制靈活，響應(yīng)快，定位準(zhǔn)確。直流伺服系統(tǒng)存在維護(hù)費高,堵轉(zhuǎn)易燒毀及控制復(fù)雜等問題。交流伺服系統(tǒng)維護(hù)性低，控制技術(shù)成熟，但成本較高。步進(jìn)電機伺服系統(tǒng)有可靠性高、性價比高、便于計算機控制等優(yōu)點。因此，采用步進(jìn)電機作為執(zhí)行機構(gòu)硬件首選。

通過理論仿真，得到調(diào)諧螺釘行程和頻率關(guān)系，即頻率變化10 MHz，調(diào)諧活塞變化0.45 mm，且在調(diào)諧范圍內(nèi)，二者近似為線性關(guān)系。因此，除對運動部件的加工精度有較高要求外，還需合理設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)才能滿足要求。圖7為執(zhí)行機構(gòu)運動控制系統(tǒng)硬件組成[13]。

圖7 控制板硬件構(gòu)成

主控單元通過UART數(shù)據(jù)接口向伺服控制系統(tǒng)單片機發(fā)送頻率相關(guān)的配置信息，經(jīng)過處理將頻率值轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機運動參數(shù)，控制執(zhí)行機構(gòu)運動到相應(yīng)位置，從而實現(xiàn)選頻功能。驅(qū)動放大器驅(qū)動步進(jìn)電機動作。機械限位開關(guān)限制內(nèi)導(dǎo)體的運動范圍，而光電開關(guān)確定內(nèi)導(dǎo)體的運動零點位置。濾波器腔體和運動機構(gòu)為機械結(jié)構(gòu)件，性能的調(diào)整只能依靠存儲的數(shù)據(jù)，而溫度環(huán)境的變化會改變?yōu)V波器性能，因此，在運動控制系統(tǒng)中增加了溫度補償，使溫度變化引起的頻漂得到抑制，提高了系統(tǒng)的精度，也增加了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。主控單元實物如圖8所示。

圖8 控制板實物

運動機構(gòu)零點決定了整個濾波器的控制精度。零點的確定采用了初零、細(xì)零和步進(jìn)電機機械零點三級控制方法，實現(xiàn)了執(zhí)行機構(gòu)運動零點的唯一性，提高了濾波器的準(zhǔn)確度。當(dāng)調(diào)諧桿經(jīng)過機械零點時，零點位置觸發(fā)電路將輸出脈沖信號，處理器接收到該脈沖信號，然后從該機械零點開始計數(shù)，直到調(diào)諧桿運動到指定步數(shù)，電機停止，調(diào)諧完成。從零點位置開始到指定位置，要經(jīng)3個階段：

1) 低速尋找零點。尋找機械零點時，電機轉(zhuǎn)速低，尋找起始位置零點。

2) 恒定速度運行。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，必須在較短時間內(nèi)運動到指定位置，所以，從零點開始加速到最高速度后，以最高速度運行一定距離。

3) 以低速運動到指定位置。當(dāng)調(diào)諧桿運動至指定位置前必須減速，以防過沖，降低控制精度。

2.2 執(zhí)行機構(gòu)軟件設(shè)計

運動控制系統(tǒng)的控制策略和控制方法都是通過軟件實現(xiàn)的，要達(dá)到理想的運動控制效果，控制軟件的設(shè)計至關(guān)重要。濾波器控制軟件由初始化函數(shù)、運動函數(shù)、復(fù)位函數(shù)組成，程序框圖如圖9所示[13]。

圖9 濾波器控制軟件流程框圖

當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，對系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化，然后等待上位機發(fā)送調(diào)諧指令。當(dāng)接收到一條完整的調(diào)諧指令后，根據(jù)協(xié)議計算出頻點，如果頻點在規(guī)定范圍內(nèi)，讀取存儲器中該頻點所對應(yīng)的步數(shù)。存儲器中只存放了頻點為整數(shù)兆赫茲所對應(yīng)的步數(shù)，當(dāng)頻點為非整數(shù)兆赫茲時，采用線性插值算法，根據(jù)前、后頻點的步數(shù)計算出頻點所對應(yīng)的步數(shù)。當(dāng)電機運動結(jié)束，調(diào)諧完成，等待下一次調(diào)諧指令。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計思路, 對電調(diào)濾波器進(jìn)行了實物加工, 使用Agilent E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。在室溫25 ℃下實測結(jié)果如圖10所示，3組曲線分別對應(yīng)f0為4 400 MHz、4 700 MHz、5 000 MHz時的頻響、駐波特性。在整個調(diào)諧過程中，3 dB帶寬≥40 MHz，插損≤0.6 dB，駐波≤1.5。

圖10 濾波器實測頻響

由圖10可知，在整個調(diào)諧范圍內(nèi)，濾波器的響應(yīng)形狀和相對帶寬保持不變，較好地滿足了工程實際需要。

4 結(jié)束語

本文研制的電調(diào)濾波器具有恒定帶寬、承受功率大的特點，在系統(tǒng)應(yīng)用中性能穩(wěn)定，已批量生產(chǎn)。通過濾波器和伺服傳動機構(gòu)的機電一體化設(shè)計，研制結(jié)構(gòu)更緊湊的大功率電調(diào)濾波器滿足通信設(shè)備高集成、小型化的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。