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基于DTC技术可调谐带通滤波器研究设计

2020-03-01 22:56rf射频/无线 人已围观

简介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...

  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DTC技术的420 MHz~520 MHz可调谐带通滤波器。
  

  1 组成及原理

  
  1.1组成
  
  可调谐带通滤波器由DTC和空心电感体构成,电路组成如图1所示。
  
  图1 电路组成图
  
  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。
  
  图2 电路原理图
  
  1.2.1原理设计
  
  谐振回路采用LC集总参数模型设计,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;
  
  (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。
  
  表1 WS1050性能指标
  表1 WS1050性能指标
  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。
  
  图3 WS1050容值与Q值图
  
  1.2.2ADS仿真
  
  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ADS仿真软件建立如图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。
  
  图4 ADS仿真原理图
  
  图5 ADS仿真结果    图6 ADS仿真结果
  
  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计算:
  
  公式
  
  说明: fL 为频段内最低频率; fH 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
  
  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Rogers RO4350B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: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;
  
  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。
  
  图7~图10
  
  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。
  图11 501 MHz~526 MHz测试图
  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。
  
  表2 WS1050设置电容值
  表2 WS1050设置电容值

  3 设计目标

  
  (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f0+2 MHz以外);
  
  (7)工作温度:﹣25 ℃~55 ℃。
  
  (8)尺寸:25 mm×20 mm×7 mm(长×宽×高)。

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