微波电调带通滤波器的研究

微波电调带通滤波器的研究

重庆会凌电子

()

2008.03.02

接收机部

摘要　。经研究设计并制作了一相对带宽小于2%。改进型谐振器设计使该电路具有温度性能好、制作简单、可, 。关键词　微波　滤波器　电调谐

Research on the M icrowave Electron ica lly

Tunable Band -Pa ss F ilter

L i Hongjun

(T he 13th Institu te , M inistry of E I , S h ij iaz huang 050051)

Abstract 　T h ree typ ical m ethods to bu ild a m icrow ave electron ically tunab le band 2p ass filter are in trouduced . B ased on the study of these m ethods , an electron ically tunab le band 2p ass filter w ith a bandw idth of 115%is bu ilt , w h ich show s sign ificen t p erfo rm ance i m p rovem en t on tem p eratu re stab ility , si m p licity of m anufactu re and h igh reliab ility

. T he resu lt ob tained th rough a fu ll 2w ith a m odified design of resonato rs w ave analysis of

the circu it is given . Keywords 　M icrow ave 　F ilter 　E lectron ic tun ing

1　引　言

电调滤波器是宽带微波接收机以及电子对抗系统中的关键部件之一, 其性能指标的优劣直接影响整机性能。传统的Y IG 调谐滤波器在某些需要快速(Λs 级) 调谐的场合是不适用的。因而, 以变容管为调谐元件的电调滤波电路得到了日益广泛的应用。然而在窄带(

收稿日期:1999-05-19

施。本文介绍了作者在该领域研究工作中所涉及的三种最典型的电调滤波电路, 给出了一种采用悬置带线加介质补偿设计的L 波段电调滤波电路的研制结果, 并提供了该电路的CAD 全波分析数据。

2　常用的电调滤波电路

211　终端耦合电调滤波电路[1]

如图1所示, 该电路是将Κ2谐振器分为g 两段Κ4线, 并在中间引入变容管调谐以实现g

通带移动。为弥补窄带情况下很大的通带插损

管许多有效措施诸如消除寄生模[2]、介质加载[3]等技术的采用使得该电路在性能上得到了一定的改善, 但在需要窄带、宽移动范围电调滤波的场合仍未得到广泛应用。213图图1　终端耦合电调滤波电路

而引入了一段Κ4g

。方法简单, ,

重庆会凌电子

体积太大, 2008.03.02不必要的振荡产生, 接收机部通带, 因而限制了其使用范围仅为较高微波频段(一般6GH z 以上) 且带外抑制要求不高的场图3　梳状结构电调滤波器合。滤波目的, 并通过调整每个谐振器终端的可变

电抗实现通带移动。理论推导可得出滤波器的

212　微带环行谐振器构成的电调滤波电路

绝对带宽∃Ξ与中心频率的关系[4]为:

　　图2为一平均半径为R 的微带环行谐振∃Ξ=2Ξ0tan (Η0)

2

[Α(tan (Η0) +Η0(1+tan (Η0) ) ]

式中以Η0代替Ξ0之后令d (∃Ξ) d Η0=0可发现∃Ξ关于Η。故可设计各谐振0有一极大值点

器使之当电调滤波器工作在中心频率移动范围的中间值时满足d (∃Ξ) d Η0=0, 这样即可实

图2　微带环行谐振器电场分布

现滤波器中心频率倍频程范围内移动而其绝对通带带宽变化最小(这在宽移动范围时是至关重要的) 。另外, 通过内部导纳电平变换技术可使该结构电路对1%～40%带宽的滤波响应均能给出易于实现的物理尺寸。该结构传输线长度仅为Κ8(寄生通带远达4倍中心频率) , 即g 便在L 波段或U H F 波段也能给出较小的电路体积。此方案相比于其他方案, 有诸多优点, 因而在需要高性能、宽移动范围电调滤波电路的场合得到了非常广泛的应用, 但其设计方法较前两种繁琐得多。

器, 满足关系2ΠR =N Κg , (N =0, 1, 2…) 的频率将发生谐振。完整的以及于a 点开缝后谐振环上电场分布图表明, 开缝后环上的最低模已并非奇次模而是另一种新模式——半模。于

缝隙处引入一变容管即可实现由(N +1 2) f o 往下至N f

o

(f o 为基频) 的频率移动。为使谐

振器体积最小同时也为了获得最大可能的通带移动范围, 通常取N =1即3 2模为调谐模式。此种电路结构紧凑, 便于集成至M I C 和MM I C 中。然而, 此结构具有偶次寄生模(最低为N =2) , 同时在窄带情形下馈入及输出缝隙很大, 加上谐振环Q 值较低导致通带插损非常大, 尽

3　研制结果

在对各种电调滤波方案深入研究的基础上, 我所成功地研制了专用电调滤波模块。根

波电路的设计与制作以及缩短开发周期无疑会有很大帮助。

据工程需要, 此模块BW 3d B 仅为115%, 工作温度为-55～+85℃, 这对电路的温度及参数性能提出相当高的要求。为此, 我们运用梳状电调滤波设计原理进行电路设计, 并利用悬置带线结构的高Q 及温度稳定性对电路进行具体实施。考虑到变容管温度性能为影响电路温度稳定性及插损指标的主要因素, 我们在谐振电串并处理, , , 难度大大降低。:

・中心频率移动:1338～1575M H z ; ・调谐电压:4～18V (DC ) ; ・3dB 带宽:17～20M H z ; ・中心频率插损:Φ10dB ;

・阻带衰减(f 0±63M H z ) :>33dB (低端40dB ) ;

・工作温度:-55～+85℃。

由指标看出, 该模块在调谐过程中绝对带宽基本恒定, 并具有良好温度性能和较小的插入损耗(选用GaA s 高Q 变容管该指标可得到进一步改善) 。该模块已通过各项考核试验, 具有很高可靠性等级。超突变结变容管的选用可使其移动范围达500M H z , 目前我所可提供530～1800M H z 内分段覆盖的系列化电调滤波产品。

在以理论分析为基础进行设计的同时, 我们还运用美国A n soft 公司Serenade 710微波CAD 软件对基于该理论的设计进行了全波分

重庆会凌电子

2008.03.02

接收机部

图4　梳状电调滤波电路全波分析曲线

4　结束语

电调滤波电路的种类还有很多, 本文仅介绍其中较为典型的三种, 采用何种方案需依整机要求而定。目前, 为适应整机小型、数字化发展需要, 电调滤波电路也正朝体积小型化、控制数字化迈进。

参　考　文　献

1　Yang C, T atsuo I . M icrow ave active filters based on cou 2p led negative resistance m ethod, IEEE T rans M icrow ave T heo ry T ech , 1990; M T T 238, 1879

2　Gardner P , Paul D K . Supp ressi on of unw anted modes in

tunable m icro stri p ring resonato rs . crow ave Conf , 1993; (9) :571

3　Chang K et al . O n the study of m icro stri p ring and varac 2

to r 2tuned ring circuits . 1288

4　H unter I C , R hodes J D . V aracto r tunable m icrow ave band 2pass filters . IEEE T rans . M icrow ave T heo ry T ech , 1982; M T T 230(9) :1354

IEEE T rans on M T T , 1987; 12:

23rd European M i 2

析与验证并得到了满意的结果。

图4为对电路的全波分析仿真结果, 滤波响应仿真曲线与实测(图中未画实测曲线) 的颇为接近。该CAD 辅助工具对于简化电调滤(上接第46页)

李宏军　男, 1992年毕业于电子科技大学微波工程系电磁场与微波技术专业, 工程师, 主要从事各种微波电路开发工

作。

现象, 取得了良好的效果。

李立杰　男, 1995年毕业于兰州大学物理系半导体器件与微电子学专业, 现从事微电子工艺和集成电路和微机构传感器、执行器和微机械加工工艺的研究。

整度要求很高, 腐蚀底面工作时要高压, 若腐蚀底面有毛刺或尖端等凸起, 必然会引起尖端电子发射, 导致器件失效, 所以采取了干法刻蚀硅尖来代替湿法腐蚀硅尖。从而消除了以上

微波电调带通滤波器的研究

重庆会凌电子

()

2008.03.02

接收机部

摘要　。经研究设计并制作了一相对带宽小于2%。改进型谐振器设计使该电路具有温度性能好、制作简单、可, 。关键词　微波　滤波器　电调谐

Research on the M icrowave Electron ica lly

Tunable Band -Pa ss F ilter

L i Hongjun

(T he 13th Institu te , M inistry of E I , S h ij iaz huang 050051)

Abstract 　T h ree typ ical m ethods to bu ild a m icrow ave electron ically tunab le band 2p ass filter are in trouduced . B ased on the study of these m ethods , an electron ically tunab le band 2p ass filter w ith a bandw idth of 115%is bu ilt , w h ich show s sign ificen t p erfo rm ance i m p rovem en t on tem p eratu re stab ility , si m p licity of m anufactu re and h igh reliab ility

. T he resu lt ob tained th rough a fu ll 2w ith a m odified design of resonato rs w ave analysis of

the circu it is given . Keywords 　M icrow ave 　F ilter 　E lectron ic tun ing

1　引　言

电调滤波器是宽带微波接收机以及电子对抗系统中的关键部件之一, 其性能指标的优劣直接影响整机性能。传统的Y IG 调谐滤波器在某些需要快速(Λs 级) 调谐的场合是不适用的。因而, 以变容管为调谐元件的电调滤波电路得到了日益广泛的应用。然而在窄带(

收稿日期:1999-05-19

施。本文介绍了作者在该领域研究工作中所涉及的三种最典型的电调滤波电路, 给出了一种采用悬置带线加介质补偿设计的L 波段电调滤波电路的研制结果, 并提供了该电路的CAD 全波分析数据。

2　常用的电调滤波电路

211　终端耦合电调滤波电路[1]

如图1所示, 该电路是将Κ2谐振器分为g 两段Κ4线, 并在中间引入变容管调谐以实现g

通带移动。为弥补窄带情况下很大的通带插损

管许多有效措施诸如消除寄生模[2]、介质加载[3]等技术的采用使得该电路在性能上得到了一定的改善, 但在需要窄带、宽移动范围电调滤波的场合仍未得到广泛应用。213图图1　终端耦合电调滤波电路

而引入了一段Κ4g

。方法简单, ,

重庆会凌电子

体积太大, 2008.03.02不必要的振荡产生, 接收机部通带, 因而限制了其使用范围仅为较高微波频段(一般6GH z 以上) 且带外抑制要求不高的场图3　梳状结构电调滤波器合。滤波目的, 并通过调整每个谐振器终端的可变

电抗实现通带移动。理论推导可得出滤波器的

212　微带环行谐振器构成的电调滤波电路

绝对带宽∃Ξ与中心频率的关系[4]为:

　　图2为一平均半径为R 的微带环行谐振∃Ξ=2Ξ0tan (Η0)

2

[Α(tan (Η0) +Η0(1+tan (Η0) ) ]

式中以Η0代替Ξ0之后令d (∃Ξ) d Η0=0可发现∃Ξ关于Η。故可设计各谐振0有一极大值点

器使之当电调滤波器工作在中心频率移动范围的中间值时满足d (∃Ξ) d Η0=0, 这样即可实

图2　微带环行谐振器电场分布

现滤波器中心频率倍频程范围内移动而其绝对通带带宽变化最小(这在宽移动范围时是至关重要的) 。另外, 通过内部导纳电平变换技术可使该结构电路对1%～40%带宽的滤波响应均能给出易于实现的物理尺寸。该结构传输线长度仅为Κ8(寄生通带远达4倍中心频率) , 即g 便在L 波段或U H F 波段也能给出较小的电路体积。此方案相比于其他方案, 有诸多优点, 因而在需要高性能、宽移动范围电调滤波电路的场合得到了非常广泛的应用, 但其设计方法较前两种繁琐得多。

器, 满足关系2ΠR =N Κg , (N =0, 1, 2…) 的频率将发生谐振。完整的以及于a 点开缝后谐振环上电场分布图表明, 开缝后环上的最低模已并非奇次模而是另一种新模式——半模。于

缝隙处引入一变容管即可实现由(N +1 2) f o 往下至N f

o

(f o 为基频) 的频率移动。为使谐

振器体积最小同时也为了获得最大可能的通带移动范围, 通常取N =1即3 2模为调谐模式。此种电路结构紧凑, 便于集成至M I C 和MM I C 中。然而, 此结构具有偶次寄生模(最低为N =2) , 同时在窄带情形下馈入及输出缝隙很大, 加上谐振环Q 值较低导致通带插损非常大, 尽

3　研制结果

在对各种电调滤波方案深入研究的基础上, 我所成功地研制了专用电调滤波模块。根

波电路的设计与制作以及缩短开发周期无疑会有很大帮助。

据工程需要, 此模块BW 3d B 仅为115%, 工作温度为-55～+85℃, 这对电路的温度及参数性能提出相当高的要求。为此, 我们运用梳状电调滤波设计原理进行电路设计, 并利用悬置带线结构的高Q 及温度稳定性对电路进行具体实施。考虑到变容管温度性能为影响电路温度稳定性及插损指标的主要因素, 我们在谐振电串并处理, , , 难度大大降低。:

・中心频率移动:1338～1575M H z ; ・调谐电压:4～18V (DC ) ; ・3dB 带宽:17～20M H z ; ・中心频率插损:Φ10dB ;

・阻带衰减(f 0±63M H z ) :>33dB (低端40dB ) ;

・工作温度:-55～+85℃。

由指标看出, 该模块在调谐过程中绝对带宽基本恒定, 并具有良好温度性能和较小的插入损耗(选用GaA s 高Q 变容管该指标可得到进一步改善) 。该模块已通过各项考核试验, 具有很高可靠性等级。超突变结变容管的选用可使其移动范围达500M H z , 目前我所可提供530～1800M H z 内分段覆盖的系列化电调滤波产品。

在以理论分析为基础进行设计的同时, 我们还运用美国A n soft 公司Serenade 710微波CAD 软件对基于该理论的设计进行了全波分

重庆会凌电子

2008.03.02

接收机部

图4　梳状电调滤波电路全波分析曲线

4　结束语

电调滤波电路的种类还有很多, 本文仅介绍其中较为典型的三种, 采用何种方案需依整机要求而定。目前, 为适应整机小型、数字化发展需要, 电调滤波电路也正朝体积小型化、控制数字化迈进。

参　考　文　献

1　Yang C, T atsuo I . M icrow ave active filters based on cou 2p led negative resistance m ethod, IEEE T rans M icrow ave T heo ry T ech , 1990; M T T 238, 1879

2　Gardner P , Paul D K . Supp ressi on of unw anted modes in

tunable m icro stri p ring resonato rs . crow ave Conf , 1993; (9) :571

3　Chang K et al . O n the study of m icro stri p ring and varac 2

to r 2tuned ring circuits . 1288

4　H unter I C , R hodes J D . V aracto r tunable m icrow ave band 2pass filters . IEEE T rans . M icrow ave T heo ry T ech , 1982; M T T 230(9) :1354

IEEE T rans on M T T , 1987; 12:

23rd European M i 2

析与验证并得到了满意的结果。

图4为对电路的全波分析仿真结果, 滤波响应仿真曲线与实测(图中未画实测曲线) 的颇为接近。该CAD 辅助工具对于简化电调滤(上接第46页)

李宏军　男, 1992年毕业于电子科技大学微波工程系电磁场与微波技术专业, 工程师, 主要从事各种微波电路开发工

作。

现象, 取得了良好的效果。

李立杰　男, 1995年毕业于兰州大学物理系半导体器件与微电子学专业, 现从事微电子工艺和集成电路和微机构传感器、执行器和微机械加工工艺的研究。

整度要求很高, 腐蚀底面工作时要高压, 若腐蚀底面有毛刺或尖端等凸起, 必然会引起尖端电子发射, 导致器件失效, 所以采取了干法刻蚀硅尖来代替湿法腐蚀硅尖。从而消除了以上