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一种可变耦合数控跳频滤波器电路设计

2020-03-24 23:29rf射频/无线 人已围观

简介现代电子技术在各个领域的运用使得现代生活从形式到内容都发生了巨大的变化。其中以对军事方面影响极为重大,出现了一个新的战争分支电子战,其主要任务是保障自己的通信畅通...

  现代电子技术在各个领域的运用使得现代生活从形式到内容都发生了巨大的变化。其中以对军事方面影响极为重大,出现了一个新的战争分支—电子战,其主要任务是保障自己的通信畅通,压制干扰对方的制导系统和通信系统,跳频通信应运而生。跳频电台较强的抗干扰能力使其在军事通信领域的地位越来越重要,跳频滤波器是跳频电台的重要部件,早期的跳频电台的频率范围较窄,为了提高抗干扰性能,将频率范围向高端扩展。然而由此出现了在整个频带范围内带宽相差太大,带内平坦度严重变坏,在频率的低端和高端驻波系数太大等一系列不能满足通信技术要求的问题,严重制约了跳频通信的发展。
  

  1数控跳频滤波器设计

  
  目前国内通用的跳频滤波器频段为30~80MHz,这种跳频滤波器在50MHz的频段内基本上能满足电 路的需求,但已经存在严重的带内插入损耗、带宽、驻波比一致性变差等问题。如果再将频带扩展到110MHz,则问题更加突出,在频段的两端电参数的恶化程度已不能满足要求。
  
  1.1跳频滤波器的主要技术指标
  
  (1)相对带宽
  
  相对带宽为信号带宽与中心频率之比,一般的信号带宽是指3dB相对带宽,且与Q值互为倒数,有:
  
  公式1
  
  式中PT是滤波器中传输的功率;PIN是滤波器的入射功率。
  
  (2)驻波比
  
  表征反射波强弱的另一个系统特征量是驻波比(VSWR),其定义为系统最大电压与最小电压之比, 其与反射系数的关系为:
  
  公式2
  
  它是衡量滤波器带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标,完全匹配时为1,要求越小越好。
  
  数控跳频滤波器的主要技术指标:频率范围:30~ 110MHz;调节点频数:256点;调节控制方式:电调谐,8位并行码调谐;输入、输出阻抗:50Ω;中心插入损耗:3.5~4.5dB,带内各段插入损耗一致性≤1dB;相对带宽一致性:≤5%;最大驻波比(VSWR):≤1.5:1。
  
  1.2带通滤波器基本电路实现
  
  巴特沃斯滤波器设计简单,但过渡带较宽。椭圆滤波器性能较好但结构过于复杂。为了得到良好的带宽及插损一致性,经过对比采用切比雪夫函数(Chebyshev)进行带通滤波器的基本电路设计 。根据所设计的滤波器参数,选择图1所示低通滤波器原型。
  图1 低通滤波器串联原件的原型电路
  图1 低通滤波器串联原件的原型电路
  
  将图1低通滤波器串联原件的原型电路通过低通到带通的变换,去掉不合理元件,再由π-T变换得到双调谐滤波器基本电路 ,如图2所示。其特点是电路稳定,调谐简单,成本较低。利用电调谐电路改变两个可变电容值从而改变谐振频率,达到调谐的目的。在这个电路中,可以通过同时改变可调电容的大小,从而改变中心频率,实现滤波器的频率跳变。
  图2 双调谐带通滤波器的基本电路
  图2 双调谐带通滤波器的基本电路
  
  1.3电调谐实现方案
  
  早期使用的电调谐滤波器多是由多个窄带预选滤波器组成的多个接收机,通过相互之间切换来实现通信。此方法实现的接收机较为笨重,不利于小型化且功耗大,频率变化速度慢;随后人们研制出利用单刀多掷开关来实现不同中心频率变换的开关滤波器组。它理论上可以实现任何频率范围的切换,控制简单,设计制造方便,但这种方法要求的滤波器组多,结构复杂,小型化难且在频率范围不大的情况下难以体现其优势;利用PIN二极管开关调节电容阵列中的不同电容网络实现电调谐带通滤波器有很大优势。这种方法实现的滤波器技术指标高,性能稳定,体积小,便于数字控制。但是设计过程复杂且精细,对元器件参数要求高且在整个跳频范围内插损和驻波一致性较差。通过对以上电调谐滤波器性能的分析比较,选定PIN二极管做为数控跳频滤波器的控制元件 。
  
  根据改进方案,利用PIN二极管的单向导通特性, 采用二极管做控制元件,如图3所示。当电调谐控制输入端接入低电平,二极管导通,该路电容接入电路中,组成谐振电路,从而确定某一特定频率 ,通过8位并行码同时控制两路电容矩阵,不仅节约了成本,而且保证了电容矩阵的同步跳变,进而确保了跳频滤波器在快速跳变的同时,各项技术指标不失真。
  图3 电调谐控制原理图
  图3 电调谐控制原理图
  
  根据数控跳频滤波器的主要技术指标,我们将上述电路扩展为8组,分别用8条控制输入端来控制8组2 路电容网络分别接入滤波器的电路中,通过8位调谐码的不同组合,使接入到滤波器的可调电容发生变化,从而改变滤波器的中心频率,实现了256点的频率跳变。
  

  2可变耦合宽带数控跳频滤波器设计

  
  通过改变电容控制中心频率变化会引起在频率高低端相对带宽、插损、驻波比一致性变差等问题,造成这些问题的根本原因是滤波器在调谐的情况下为了尽量简单,仅仅改变了谐振电路的电容,而耦合电路没有随之改变,造成了一系列电参数背离电路的设计要求,性能下降。所以在不改变电路原理的情况下, 提高性能就要增加谐振点,调整频率的同时调整耦合系数,用逼近的方法解决这些问题,改善电路的性能参数。所以在改变电容时电感也要随之变化,以提高滤波器性能。因此改变滤波器性能的关键是不仅电容可调,耦合电感也应随着频率的改变而改变,使其在频率的高端和低端耦合系数尽量符合电路要求,所以在设计可变耦合宽带数控跳频滤波器时,增加了耦合控制电路,在频率跳变的同时,耦合电感也随之改变, 以减小整个跳频范围内的不一致性。经过ADS仿真得知,当跳频滤波器跳变到频率的低端时,应加大耦合电感,当跳变到频率的高端时,应减少耦合电感,使得跳频滤波器的性能在可变频率范围内尽可能保持一致。如图2所示,L5为耦合电感,耦合电感值越大,滤波器带宽越宽,电感值越小,滤波器带宽越窄。由于频率范围较大,若耦合电感随电容时时变化,则设计过于复杂,电路过于庞大。经过计算机仿真模拟,发现在30M~110MHz这个频段范围内,在可变耦合电路中只需增加一个控制点就能满足性能要求,实现分段控制,如图4。控制信号的选择用地址译码进行替代,从地址码中选择一段对耦合电路进行切换,在频段的低端用一个耦合电感,在频段的高端用另一个耦合电感,实现耦合系数的改变。
  
  通过分析电调谐控制码,可以利用电调谐控制码的后4位来控制电感的切入,实现对耦合系数的控制, 当跳频滤波器跳变到频率的低端时,加大耦合电感, 跳变到频率的高端时,减少耦合电感,此时后四路控制线均为0V,经过非门,均变为高电平,因此与非门输出低电平,继电器动作,常开点闭合,电感值减小, 达到了耦合系数的分段控制。
  图4 可变耦合控制电路
  图4 可变耦合控制电路

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