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基于DTC技术可调谐带通滤波器研究设计

作者:江 燕,廖 伟,张海玉时间:2019-12-26来源:电子产品世界收藏

  江 燕,廖 伟,张海玉(同方电子科技有限公司,江西 九江 332100)

本文引用地址:http://www.gzmtlsjy.com/article/201912/408684.htm

  摘 要:可调谐滤波器作为设备的重要组成部分,它设计好坏直接影响了微波设备的性能指标。本文设计了一种基于的420 MHz~520 MHz可调谐带通滤波器,阐述了该滤波器的原理以及优点,进行了仿真和制作,仿真结果、测试结果与设计要求吻合,该设计方法具有较高的应用价值。

  关键词:

  0 引言

  滤波器从杂乱的信号频谱中提取有用信号频率,滤除工作频段以外的无用信号,可以增强设备抗干扰能力,有效提高设备灵敏度性能,在调频电台、无线电监测、电子对抗等军事装备中广泛应用。近年来,随着移动通信的发展,各种电磁噪声、电磁干扰叠加在有用电磁频谱之上,造成设备信号失真、性能下降,研究微波可调谐滤波器具有非常重要的意义和实际应用价值。

  对于微波可调谐滤波器,除了频率、带宽、插损、回波损耗等性能指标,调谐速度、调谐范围等指标同样重要,而调谐速度指标取决于滤波器的调谐方式。随着新技术和新材料在微波可调谐滤波器中的应用,现代微波可调谐滤波器分为YIG(Yttrium-Iron-Garnet)滤波器、BST(Barium Strontium Titanate)滤波器、变容二极管滤波器、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)滤波器等。YIG滤波器采用磁调,可调范围宽,但是体积大,调谐速度慢,成本高;BST滤波器品质因素低,线性度较差;变容二极管滤波器调谐速度快,然而线性度较低;MEMS滤波器体积小,调谐速度快,但是需要复杂的偏置电路,工艺集成度要求较高。

  随着CMOS微电子集成工艺的迅速发展,半导体数字可调电容DTC(Digitally Tunable Capacitor)被用于微波可调谐滤波器中,本文介绍的就是基于的420 MHz~520 MHz可调谐带通滤波器。

  1 组成及原理

  1.1 组成

  可调谐带通滤波器 [1] 由DTC和空心电感体构成,电路组成如图1所示。

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  1.2 基于DTC的带通滤波器原理

  DTC技术是经过长期发展目前已得到成熟应用的技术,其利用了MEMS(微机械机电系统)来实现内部电容的改变,在天线可调匹配网络等方面应用广泛,具有高Q值、高线性度、承受功率大、易编程控制、易变电容阵列且成本低、体积小、功耗低等特点,大大优于变容管等器件的性能。

  基于DTC的可调谐带通滤波器 [1] 采用数字可调电容来实现并联LC谐振器,具有相对带宽较窄、插入损耗低、体积小、调谐速度快、承受功率大和制作容易等优点。

  利用符合MIPI标准的SPI接口对可调谐滤波器进行全数字调控,电路原理图如图2。

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  1.2.1 原理设计

  谐振回路采用LC集总参数模型 [2] 设计,整个回路封闭在屏蔽空间内,减少相互干扰。通过改变谐振回路中的电容值来达到换频目的。由于要实现全频段覆盖,因此电容的选定有一定要求:

  (1)可调电容极值要能够覆盖频段高、低频率;

黑龙江11选5  (2)最小可调电容要能够保证滤波频段内不出现遗漏频点。

  本谐振回路中的电容采用数字可调电容实现,其性能指标完全满足设计要求。主要性能如表1所示。

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黑龙江11选5  如图1所示,谐振回路采用双调谐电容耦合方式。双调谐为完全对称电路形式,理论要求两端电感值和电容值均相等,实际会存在偏差导致滤波器波形变形,降低滤波器指标,因此在设计和调试过程中需尽量减少误差。设计时减少误差方式主要有理论计算和ADS仿真计算。

  LC带通滤波器的指标主要取决于器 件 L 和C的无载Q值,Q值越高带通滤波器性能指标越好,因此在设计时尽量选取具有较高Q值的L和C。本滤波器设计时,电感L选取了Spring公司的空心线圈产品;电容C采用的是DTC产品,其Q值特性如图3所示。从图3中可知电容值越小时Q值越高,因此在满足性能指标要求情况下尽量选取容值较小部分。

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  1.2.2 ADS仿真

DTC技术;。综合考虑设计要求后,采用了分离元件与DTC电容搭配设计方式,根据滤波器的衰减特性,确定双调谐谐振回路可以满足设计目标。

  利用 [3] 建立如图4所示的原理仿真图,并得到如图5、图6所示的数据结果,可知ADS原理仿真结果满足设计要求。

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  1.2.3 理论计算

  由于双调谐回路无载Q值和耦合度适配存在频带范围限制,同时依据选用的DTC器件WS1050的电容值范围,从而可以通过如下公式 [2] 计算:

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  说明: f L 为频段内最低频率; f H 为频段内最高频率;∆C为频段内最大切换电容差值(设计规划值)。

  2 实际设计

  2.1 实物设计

黑龙江11选5  根据设计要求其频率较高、承受功率大的特性,因此需要注意以下三项:

  1)材料选择:基板材料实物设计采用的是RogersRO4350B的板材,其具有以下特点:

  a)介电常数比较小,减少滤波器损耗;

  b)该板材为陶瓷板材,有利于器件散热。

  2)电路设计和布板 [4] :双调谐回路为对称式电路,在设计时应尽量保证输入/输出电路对称;另外,由于设计频率较高从而各器件布局时不要间隔距离不宜过大;

黑龙江11选5  3)WS1050容值选择:由于容值变化范围内Q值差异较大(如图3所示),从而使用时选取Q值较高的电容区间使用。

  2.2 实物测试指标

  依据上述设计,在实物调试过程中存在一些偏差但不影响整体性能。

  采用Agilent 矢量网络分析仪对滤波器进行了调试和测试,得到如图7~图11所示的实物测量曲线和如表2所示的WS1050设置电容值。由此结果可知,本设计方案已经达到设计指标要求。

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黑龙江11选5  由于分布参数和WS1050内部电容值的差异导致设置电容值不是完全对称,具体设置容值如表2所示。

  3 设计目标

黑龙江11选5  (1)频率:420 MHz~520 MHz;

  (2)最大输入功率:1 W;

  (3)驻波比:≤2.0;

  (4)1 dB带宽:≥5%;

  (5)插损:≤2.5 dB;

  (6)选择性:≥10 dB(偏离f 0 +2 MHz以外);

  (7)工作温度:﹣25 ℃~55 ℃。

  (8)尺寸:25 mm×20 mm×7 mm(长×宽×高)。

  4 结论

  本文设计的微波可调谐滤波器基于DTC技术,具有体积小、成本低、承受功率高、调谐速度快和电路简单等优点,适应现代日益复杂的电磁环境要求,满足射频和微波通信领域中器件小型化、高性能要求,有着非常广泛的应用前景。

  参考文献

  [1] 甘本波,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京:北京科学出版社,1973.

黑龙江11选5  [2] LUDWIG R,BOGDANOW G.射频电路设计:理论与应用[M].王子宇,王心悦,等,译.2版.北京:电子工业出版社,2013.

  [3] 徐兴福 。ADS2008 射频电路设计与仿真实例[M]。2版。北京:电子工业出版社,2013。

  [4] 余静波 .基于ADS2009 微带带通滤波设计优化[J].通信技术,2010,43(11):26-27,30.

黑龙江11选5  [5] Altium Designer 10从入门到精通-2版[M]。北京:机械工业出版社,2011。

  作者简介

  江燕(1981—),女,工程师,研究方向为电子线路和无线电通信。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第01期第75页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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