基于DTC技術可調諧帶通濾波器研究設計

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

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

　　關鍵詞：DTC技術；雙調諧技術；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，可以增強設備抗干擾能力，有效提高設備靈敏度性能，在調頻電臺、無線電監測、電子對抗等軍事裝備中廣泛應用。近年來，隨著移動通信的發展，各種電磁噪聲、電磁干擾疊加在有用電磁頻譜之上，造成設備信號失真、性能下降，研究微波可調諧濾波器具有非常重要的意義和實際應用價值。

　　對于微波可調諧濾波器，除了頻率、帶寬、插損、回波損耗等性能指標，調諧速度、調諧范圍等指標同樣重要，而調諧速度指標取決于濾波器的調諧方式。隨著新技術和新材料在微波可調諧濾波器中的應用，現代微波可調諧濾波器分為YIG（Yttrium-Iron-Garnet）濾波器、BST（Barium Strontium Titanate）濾波器、變容二極管濾波器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）濾波器等。YIG濾波器采用磁調，可調范圍寬，但是體積大，調諧速度慢，成本高；BST濾波器品質因素低，線性度較差；變容二極管濾波器調諧速度快，然而線性度較低；MEMS濾波器體積小，調諧速度快，但是需要復雜的偏置電路，工藝集成度要求較高。

　　隨著CMOS微電子集成工藝的迅速發展，半導體數字可調電容DTC（Digitally Tunable Capacitor）被用于微波可調諧濾波器中，本文介紹的就是基于DTC技術的420 MHz～520 MHz可調諧帶通濾波器。

　　1 組成及原理

　　1.1 組成

　　可調諧帶通濾波器 ^[1] 由DTC和空心電感體構成，電路組成如圖1所示。

　　1.2 基于DTC的帶通濾波器原理

　　DTC技術是經過長期發展目前已得到成熟應用的技術，其利用了MEMS（微機械機電系統）來實現內部電容的改變，在天線可調匹配網絡等方面應用廣泛，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，大大優于變容管等器件的性能。

　　基于DTC的可調諧帶通濾波器 ^[1] 采用數字可調電容來實現并聯LC諧振器，具有相對帶寬較窄、插入損耗低、體積小、調諧速度快、承受功率大和制作容易等優點。

　　利用符合MIPI標準的SPI接口對可調諧濾波器進行全數字調控，電路原理圖如圖2。

　　1.2.1 原理設計

　　諧振回路采用LC集總參數模型 ^[2] 設計，整個回路封閉在屏蔽空間內，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。由于要實現全頻段覆蓋，因此電容的選定有一定要求：

　　（1）可調電容極值要能夠覆蓋頻段高、低頻率；

　　（2）最小可調電容要能夠保證濾波頻段內不出現遺漏頻點。

　　本諧振回路中的電容采用數字可調電容實現，其性能指標完全滿足設計要求。主要性能如表1所示。

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

　　1.2.2 ADS仿真

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

　　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所示的數據結果，可知ADS原理仿真結果滿足設計要求。

　　1.2.3 理論計算

　　由于雙調諧回路無載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 為頻段內最低頻率； f _H 為頻段內最高頻率；?C為頻段內最大切換電容差值（設計規劃值）。

　　2 實際設計

　　2.1 實物設計

　　根據設計要求其頻率較高、承受功率大的特性，因此需要注意以下三項：

　　1）材料選擇：基板材料實物設計采用的是RogersRO4350B的板材，其具有以下特點：

　　a）介電常數比較小，減少濾波器損耗；

　　b）該板材為陶瓷板材，有利于器件散熱。

　　2）電路設計和布板 ^[4] ：雙調諧回路為對稱式電路，在設計時應盡量保證輸入/輸出電路對稱；另外，由于設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值較高的電容區間使用。

　　2.2 實物測試指標

　　依據上述設計，在實物調試過程中存在一些偏差但不影響整體性能。

　　采用Agilent 矢量網絡分析儀對濾波器進行了調試和測試，得到如圖7~圖11所示的實物測量曲線和如表2所示的WS1050設置電容值。由此結果可知，本設計方案已經達到設計指標要求。

　　由于分布參數和WS1050內部電容值的差異導致設置電容值不是完全對稱，具體設置容值如表2所示。

　　3 設計目標

　　（1）頻率：420 MHz~520 MHz；

　　（2）最大輸入功率：1 W；

　　（3）駐波比：≤2.0；

　　（4）1 dB帶寬：≥5%；

　　（5）插損：≤2.5 dB；

　　（6）選擇性：≥10 dB（偏離f 0 +2 MHz以外）；

　　（7）工作溫度：﹣25 ℃～55 ℃。

　　（8）尺寸：25 mm×20 mm×7 mm（長×寬×高）。

　　4 結論

　　本文設計的微波可調諧濾波器基于DTC技術，具有體積小、成本低、承受功率高、調諧速度快和電路簡單等優點，適應現代日益復雜的電磁環境要求，滿足射頻和微波通信領域中器件小型化、高性能要求，有著非常廣泛的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 甘本波，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計[M].北京：北京科學出版社，1973.

　　[2] LUDWIG R，BOGDANOW G.射頻電路設計：理論與應用[M].王子宇，王心悅，等，譯.2版.北京：電子工業出版社，2013.

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

　　[4] 余靜波 .基于ADS2009 微帶帶通濾波設計優化[J].通信技術，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。