1、引言

電調濾波器是寬帶微波接收機以及電子對抗系統中的關鍵部件之一，其性能指標的優劣直接影響整機性能。傳統的YIG調諧濾波器在某些需要快速(μs級)調諧的場合是不適用的。因而，以變容管為調諧元件的電調濾波電路得到了日益廣泛的應用。然而在窄帶(<2%)調諧情況下，諧振元件尤其是變容管結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構上精心設計并采取必要的補償措施。本文介紹了作者在該領域研究工作中所涉及的三種最典型的電調濾波電路，給出了一種采用懸置帶線加介質補償設計的L波段電調濾波電路的研制結果，并提供了該電路的CAD全波分析數據。

2、常用的電調濾波電路

2.1、終端耦合電調濾波電路^[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，并在中間引入變容管調諧以實現通帶移動。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生器以抵消諧振器損耗電阻。該電路設計方法簡單，結構實現容易，但在微波頻率低端體積太大，而且負阻補償電路如設計不當會有不必要的振蕩產生，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)且帶外抑制要求不高的場合。

圖1　終端耦合電調濾波電路

2.2、微帶環行諧振器構成的電調濾波電路　　

圖2為一平均半徑為R的微帶環行諧振器，滿足關系2πR=Nλ_g（N=0，1，2···）的頻率將發生諧振。完整的以及于a點開縫后諧振環上電場分布圖表明，開縫后環上的最低模已并非奇次模而是另一種新模式——半模。于縫隙處引入一變容管即可實現由(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模為調諧模式。此種電路結構緊湊，便于集成至MIC和MMIC中。然而，此結構具有偶次寄生模(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Q值較低導致通帶插損非常大，盡管許多有效措施諸如消除寄生模^[2]、介質加載^[3]等技術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、寬移動范圍電調濾波的場合仍未得到廣泛應用。

圖2　微帶環行諧振器電場分布

2.3、梳狀結構電調濾波器

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

式中以θ₀代替ω₀之后令d(Δω)/dθ₀=0可發現Δω關于θ₀有一極大值點。故可設計各諧振器使之當電調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，這樣即可實現濾波器中心頻率倍頻程范圍內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重要的)。另外，通過內部導納電平變換技術可使該結構電路對1%～40%帶寬的濾波響應均能給出易于實現的物理尺寸。該結構傳輸線長度僅為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，有諸多優點，因而在需要高性能、寬移動范圍電調濾波電路的場合得到了非常廣泛的應用，但其設計方法較前兩種繁瑣得多。

圖3　梳狀結構電調濾波器

3、研制結果

在對各種電調濾波方案深入研究的基礎上，我所成功地研制了專用電調濾波模塊。根據工程需要，此模塊BW3dB僅為115%，工作溫度為-55～+85℃，這對電路的溫度及參數性能提出相當高的要求。為此，我們運用梳狀電調濾波設計原理進行電路設計，并利用懸置帶線結構的高Q及溫度穩定性對電路進行具體實施。考慮到變容管溫度性能為影響電路溫度穩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絡對變容管進行串并處理，極大程度地改善了模塊溫度性能，同時降低了電調濾波器對多個諧振器間變容管結電容一致性的要求，使得電路制作成本及調試難度大大降低。最終達到的主要技術指標如下：

·中心頻率移動： 1338～ 1575MHz;
·調諧電壓： 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變容管該指標可得到進一步改善)。該模塊已通過各項考核試驗，具有很高可靠性等級。超突變結變容管的選用可使其移動范圍達500MHz，目前我所可提供530～1800MHz內分段覆蓋的系列化電調濾波產品。

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

圖4為對電路的全波分析仿真結果，濾波響應仿真曲線與實測(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濾波電路的設計與制作以及縮短開發周期無疑會有很大幫助。

圖4　梳狀電調濾波電路全波分析曲線

4、結束語

電調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，為適應整機小型、數字化發展需要，電調濾波電路也正朝體積小型化、控制數字化邁進。

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