1、引言

電調(diào)濾波器是寬帶微波接收機以及電子對抗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其性能指標的優(yōu)劣直接影響整機性能。傳統(tǒng)的YIG調(diào)諧濾波器在某些需要快速(μs級)調(diào)諧的場合是不適用的。因而，以變?nèi)莨転檎{(diào)諧元件的電調(diào)濾波電路得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而在窄帶(<2%)調(diào)諧情況下，諧振元件尤其是變?nèi)莨芙Y(jié)電容的溫度漂移嚴重影響電路性能，因此必須在電路原理以及結(jié)構(gòu)上精心設(shè)計并采取必要的補償措施。本文介紹了作者在該領(lǐng)域研究工作中所涉及的三種最典型的電調(diào)濾波電路，給出了一種采用懸置帶線加介質(zhì)補償設(shè)計的L波段電調(diào)濾波電路的研制結(jié)果，并提供了該電路的CAD全波分析數(shù)據(jù)。

2、常用的電調(diào)濾波電路

2.1、終端耦合電調(diào)濾波電路^[1]

如圖1所示，該電路是將λ_g/2諧振器分為兩段λ_g/4線，并在中間引入變?nèi)莨苷{(diào)諧以實現(xiàn)通帶移動。為彌補窄帶情況下很大的通帶插損而引入了一段λ_g/2耦合線，耦合線的一端接負阻發(fā)生器以抵消諧振器損耗電阻。該電路設(shè)計方法簡單，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)容易，但在微波頻率低端體積太大，而且負阻補償電路如設(shè)計不當會有不必要的振蕩產(chǎn)生，加之該電路存在二次寄生通帶，因而限制了其使用范圍僅為較高微波頻段(一般6GHz以上)且?guī)庖种埔蟛桓叩膱龊稀?/p>

圖1　終端耦合電調(diào)濾波電路

2.2、微帶環(huán)行諧振器構(gòu)成的電調(diào)濾波電路　　

圖2為一平均半徑為R的微帶環(huán)行諧振器，滿足關(guān)系2πR=Nλ_g（N=0，1，2···）的頻率將發(fā)生諧振。完整的以及于a點開縫后諧振環(huán)上電場分布圖表明，開縫后環(huán)上的最低模已并非奇次模而是另一種新模式——半模。于縫隙處引入一變?nèi)莨芗纯蓪崿F(xiàn)由(N+1/2)∫₀往下至N∫₀(∫₀為基頻)的頻率移動。為使諧振器體積最小同時也為了獲得最大可能的通帶移動范圍，通常取N=1即3/2模為調(diào)諧模式。此種電路結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成至MIC和MMIC中。然而，此結(jié)構(gòu)具有偶次寄生模(最低為N=2)，同時在窄帶情形下饋入及輸出縫隙很大，加上諧振環(huán)Q值較低導(dǎo)致通帶插損非常大，盡管許多有效措施諸如消除寄生模^[2]、介質(zhì)加載^[3]等技術(shù)的采用使得該電路在性能上得到了一定的改善，但在需要窄帶、寬移動范圍電調(diào)濾波的場合仍未得到廣泛應(yīng)用。

圖2　微帶環(huán)行諧振器電場分布

2.3、梳狀結(jié)構(gòu)電調(diào)濾波器

圖3電路把由分布電感與集總電容組成的多個并聯(lián)諧振器以磁耦合的方式連接起來達到濾波目的，并通過調(diào)整每個諧振器終端的可變電抗實現(xiàn)通帶移動。理論推導(dǎo)可得出濾波器的絕對帶寬Δω與中心頻率的關(guān)系^[4]為：

式中以θ₀代替ω₀之后令d(Δω)/dθ₀=0可發(fā)現(xiàn)Δω關(guān)于θ₀有一極大值點。故可設(shè)計各諧振器使之當電調(diào)濾波器工作在中心頻率移動范圍的中間值時滿足d(Δω)/dθ₀=0，這樣即可實現(xiàn)濾波器中心頻率倍頻程范圍內(nèi)移動而其絕對通帶帶寬變化最小(這在寬移動范圍時是至關(guān)重要的)。另外，通過內(nèi)部導(dǎo)納電平變換技術(shù)可使該結(jié)構(gòu)電路對1%～40%帶寬的濾波響應(yīng)均能給出易于實現(xiàn)的物理尺寸。該結(jié)構(gòu)傳輸線長度僅為λ_g/8(寄生通帶遠達4倍中心頻率)，即便在L波段或UHF波段也能給出較小的電路體積。此方案相比于其他方案，有諸多優(yōu)點，因而在需要高性能、寬移動范圍電調(diào)濾波電路的場合得到了非常廣泛的應(yīng)用，但其設(shè)計方法較前兩種繁瑣得多。

圖3　梳狀結(jié)構(gòu)電調(diào)濾波器

3、研制結(jié)果

在對各種電調(diào)濾波方案深入研究的基礎(chǔ)上，我所成功地研制了專用電調(diào)濾波模塊。根據(jù)工程需要，此模塊BW3dB僅為115%，工作溫度為-55～+85℃，這對電路的溫度及參數(shù)性能提出相當高的要求。為此，我們運用梳狀電調(diào)濾波設(shè)計原理進行電路設(shè)計，并利用懸置帶線結(jié)構(gòu)的高Q及溫度穩(wěn)定性對電路進行具體實施。考慮到變?nèi)莨軠囟刃阅転橛绊戨娐窚囟确€(wěn)定性及插損指標的主要因素，我們在諧振電路中引入一個負溫補償電抗網(wǎng)絡(luò)對變?nèi)莨苓M行串并處理，極大程度地改善了模塊溫度性能，同時降低了電調(diào)濾波器對多個諧振器間變?nèi)莨芙Y(jié)電容一致性的要求，使得電路制作成本及調(diào)試難度大大降低。最終達到的主要技術(shù)指標如下：

·中心頻率移動： 1338～ 1575MHz;
·調(diào)諧電壓： 4～ 18V (DC) ;
·3dB 帶寬： 17～ 20MHz;
·中心頻率插損： F 10dB;
·阻帶衰減(f 0±63MHz) ： > 33dB (低端 40dB) ;
·工作溫度： - 55～ + 85℃。

由指標看出，該模塊在調(diào)諧過程中絕對帶寬基本恒定，并具有良好溫度性能和較小的插入損耗(選用GaAs高Q變?nèi)莨茉撝笜丝傻玫竭M一步改善)。該模塊已通過各項考核試驗，具有很高可靠性等級。超突變結(jié)變?nèi)莨艿倪x用可使其移動范圍達500MHz，目前我所可提供530～1800MHz內(nèi)分段覆蓋的系列化電調(diào)濾波產(chǎn)品。

在以理論分析為基礎(chǔ)進行設(shè)計的同時，我們還運用美國Ansoft公司Serenade710微波CAD軟件對基于該理論的設(shè)計進行了全波分析與驗證并得到了滿意的結(jié)果。

圖4為對電路的全波分析仿真結(jié)果，濾波響應(yīng)仿真曲線與實測(圖中未畫實測曲線)的頗為接近。該CAD輔助工具對于簡化電調(diào)濾波電路的設(shè)計與制作以及縮短開發(fā)周期無疑會有很大幫助。

圖4　梳狀電調(diào)濾波電路全波分析曲線

4、結(jié)束語

電調(diào)濾波電路的種類還有很多，本文僅介紹其中較為典型的三種，采用何種方案需依整機要求而定。目前，為適應(yīng)整機小型、數(shù)字化發(fā)展需要，電調(diào)濾波電路也正朝體積小型化、控制數(shù)字化邁進。

參考文獻

1　Yang C, Tatsuo I. Microwave active filters based on coup led negative resistance method, IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1990; MTT-38, 1879
2　Gardner P, PaulD K. Suppression of unwanted modes in tunable micro strip ring resonato rs. 23rd European Microwave Conf, 1993; (9) : 571
3　Chang K et al. On the study of micro strip ring and varactor-tuned ring circuits. IEEE Trans on MTT, 1987; 12:1288
4　Hunter IC, Rhodes J D. Varactor tunable Microwave bandpass filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 1982;MTT230 (9) : 1354

作者：李宏軍