江燕 廖偉 張海玉

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(jì)好壞直接影響了微波設(shè)備的性能指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一種基于DTC技術(shù)的420MHz～520MHz可調(diào)諧帶通濾波器，闡述了該濾波器的原理以及優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了仿真和制作，仿真結(jié)果、測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求吻合，該設(shè)計(jì)方法具有較高的應(yīng)用價(jià)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(hào)頻譜中提取有用信號(hào)頻率，濾除工作頻段以外的無(wú)用信號(hào)，可以增強(qiáng)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(tái)、無(wú)線電監(jiān)測(cè)、電子對(duì)抗等軍事裝備中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著移動(dòng)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(hào)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)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-Ga rnet）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。YlG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420MHz～520MHz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(guò)長(zhǎng)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(jī)械機(jī)電系統(tǒng)）來(lái)實(shí)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(diǎn)，大大優(yōu)于變?nèi)莨艿绕骷男阅堋?/p>

基于DTC的可調(diào)諧帶通濾波器采用數(shù)字可調(diào)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)LC諧振器，具有相對(duì)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(diǎn)。

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

1.2.1原理設(shè)計(jì)

諧振回路采用LC集總參數(shù)模型設(shè)計(jì)，整個(gè)回路封閉在屏蔽空間內(nèi)，減少相互干擾。通過(guò)改變諧振回路中的電容值來(lái)達(dá)到換頻目的。由于要實(shí)現(xiàn)全頻段覆蓋，因此電容的選定有一定要求：

（1）可調(diào)電容極值要能夠覆蓋頻段高、低頻率;

（2）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(diǎn)。

本諧振回路中的電容采用數(shù)字可調(diào)電容實(shí)現(xiàn)，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)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(duì)稱電路形式，理論要求兩端電感值和電容值均相等，實(shí)際會(huì)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(jì)和調(diào)試過(guò)程中需盡量減少誤差。設(shè)計(jì)時(shí)減少誤差方式主要有理論計(jì)算和ADS仿真計(jì)算。

LC帶通濾波器的指標(biāo)主要取決于器件L和C的無(wú)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(jì)時(shí)盡量選取具有較高Q值的L和C。本濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)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。

1.2.2ADS仿真

綜合考慮設(shè)計(jì)要求后，采用了分離元件與DTC電容搭配設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)。

利用ADS仿真軟件建立如圖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(jì)要求。

1.2.3理論計(jì)算

由于雙調(diào)諧回路無(wú)載Q值和耦合度適配存在頻帶范圍限制，同時(shí)依據(jù)選用的DTC器件WSl 050的電容值范圍.從而可以通過(guò)如下公式計(jì)算：

說(shuō)明：fl為頻段內(nèi)最低頻率;fu為頻段內(nèi)最高頻率;AC為頻段內(nèi)最大切換電容差值（設(shè)計(jì)規(guī)劃值）。

2實(shí)際設(shè)計(jì)

2.1實(shí)物設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)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(xiàng)：

1）材料選擇：基板材料實(shí)物設(shè)計(jì)采用的是RogersR04350B的板材，其具有以下特點(diǎn)：

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(jì)和布板：雙調(diào)諧回路為對(duì)稱式電路，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證輸入/輸出電路對(duì)稱;另外，由于設(shè)計(jì)頻率較高從而各器件布局時(shí)不要間隔距離不宜過(guò)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(shí)選取Q值較高的電容區(qū)間使用。

2.2實(shí)物測(cè)試指標(biāo)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)，在實(shí)物調(diào)試過(guò)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(duì)濾波器進(jìn)行了調(diào)試和測(cè)試，得到如圖7～圖11所示的實(shí)物測(cè)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(jì)方案已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)稱，具體設(shè)置容值如表2所示。

3設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）頻率：420MHz～520MHz;

（2）最大輸入功率：1W;

（3）駐波比：≤2.O;

（4）1dB帶寬：≥5%;

（5）插損：≤2.5dB;

（6）選擇性：≥10dB（偏離fo+2MHz以外）;

（7）工作溫度：-25℃～55℃。

（8）尺寸：25mm×20mm×7mm（長(zhǎng)×寬×高）。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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。