江山,羅南英
(成都天奧電子有限公司,成都611731)
中等帶寬晶體濾波器平滑群時(shí)延設(shè)計(jì)?
江山,羅南英
(成都天奧電子有限公司,成都611731)
對(duì)比分析窄帶電路和中等帶寬電路的貝塞爾濾波函數(shù)特性表明,中等帶寬電路的貝塞爾濾波器應(yīng)用在低頻窄帶晶體濾波器設(shè)計(jì)中具有優(yōu)勢(shì)。采用計(jì)算機(jī)仿真手段,修正時(shí)域函數(shù)的不足之處,平衡窄帶晶體濾波器中頻域和時(shí)域這一對(duì)矛盾,使得濾波器的中心頻率附近具有0.1μs波動(dòng)的平滑群時(shí)延特性,同時(shí)保證阻帶矩形系數(shù)小于3,實(shí)現(xiàn)低頻窄帶晶體濾波器恒定群時(shí)延和小矩形系數(shù)的對(duì)立統(tǒng)一性,降低整機(jī)和系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼、亂碼的幾率,同時(shí)又確保整機(jī)具有較高的雜波抑制度。
晶體濾波器;中等帶寬;平滑群時(shí)延;矩形系數(shù);電路設(shè)計(jì)
在現(xiàn)代數(shù)字通信的處理過(guò)程中,數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院退俣戎饕Q于濾波系統(tǒng)的相位線性度或群時(shí)延的平坦度。而傳統(tǒng)的濾波器其線性相位與頻率選擇性是相互矛盾的,這對(duì)矛盾在低頻晶體濾波器中體現(xiàn)得尤為突出。這主要是由于低頻晶體濾波器在展寬通帶寬度時(shí),會(huì)造成群時(shí)延特性惡化,而在許多情況下,整機(jī)需要這兩者都具有良好的特性。因?yàn)闊o(wú)論什么系統(tǒng),輸出信號(hào)的純度和選擇性仍是兩個(gè)最重要的參數(shù)[1]。
如果整機(jī)的中頻濾波選擇頻率較低的窄帶晶體濾波器(低于30 MHz),由于晶體諧振器本身串并聯(lián)間隔相對(duì)較窄(Δfs-p小于50 kHz),若要求晶體濾波器帶寬為70 kHz,矩形系數(shù)小于3.5,在設(shè)計(jì)這種低頻晶體濾波器的幅頻特性時(shí),就會(huì)帶來(lái)時(shí)域特性的惡化,即群時(shí)延波動(dòng)較大,或者造成器件在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性變差。
為了解決這一對(duì)矛盾,本文在對(duì)比兩種電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,另辟蹊徑,將中等帶寬電路結(jié)合貝塞爾濾波函數(shù)特性應(yīng)用到低頻窄帶晶體濾波器設(shè)計(jì)中,再通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真調(diào)試,實(shí)現(xiàn)較好的頻率選擇性和通帶內(nèi)平滑群時(shí)延。
2.1 晶體濾波器的技術(shù)指標(biāo)
為了具有較好群時(shí)延特性,我們選擇最大平滑群時(shí)延(即貝塞爾濾波器)濾波函數(shù),為了提高濾波器的選擇性(主要由矩形系數(shù)和寄生抑制決定),我們選擇六極點(diǎn)晶體濾波器,通過(guò)對(duì)比窄帶電路和中等帶寬電路,同時(shí)考慮到每種電路實(shí)現(xiàn)的幾率、生產(chǎn)成本、寬溫度范圍內(nèi)特性的穩(wěn)定性等問(wèn)題,擇優(yōu)選擇。為了便于對(duì)這兩種電路進(jìn)行仿真比較,我們以21.4 MHz晶體濾波器為例來(lái)進(jìn)行分析和介紹設(shè)計(jì)方法。
晶體濾波器主要技術(shù)指標(biāo):中心頻率為21.4 MHz;3 dB帶寬大于±30 kHz;矩形系數(shù)小于3.0;插入損耗小于3 dB;50 kHz群時(shí)延波動(dòng)小于1μs;最終衰減大于80 dB;寄生抑制大于75 dB;工作溫度為-40℃~+70℃。
由以上技術(shù)要求可知,這種濾波器的特點(diǎn)是相對(duì)帶寬窄(0.28%,窄帶晶體濾波器相對(duì)帶寬范圍為0.01%~0.4%)、群時(shí)延波動(dòng)小、阻帶衰減高、矩形系數(shù)較小(BW40/BW3<3.0)。它的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于在較小的矩形系數(shù)情況下,實(shí)現(xiàn)平滑群時(shí)延特性。
2.2 窄帶電路設(shè)計(jì)及仿真特性
六晶體三節(jié)差接橋型窄帶電路原理圖如圖1所示。
圖中主要元件的參數(shù)可以將貝塞爾函數(shù)的一組k、q值,代入文獻(xiàn)[2]中的窄帶電路計(jì)算公式得到,根據(jù)所得參數(shù),采用ADS進(jìn)行仿真,得到圖2的窄帶電路仿真特性。
2.3 中等帶寬電路設(shè)計(jì)及仿真特性
六晶體三節(jié)差接橋型中等帶寬電路原理圖如圖3所示。
差接橋型中等帶寬電路的設(shè)計(jì)原理與窄帶電路的設(shè)計(jì)原理均是從歸一化等電感串聯(lián)帶通LC濾波器電路通過(guò)不同的變換而得到[3],而差接橋型中等帶寬電路是最近幾年才開(kāi)始普遍應(yīng)用,因此對(duì)其電路推導(dǎo)的介紹相對(duì)較少。為了得出圖3各參數(shù)的設(shè)計(jì)公式,從圖4的六節(jié)歸一化等電感串聯(lián)帶通濾波器電路開(kāi)始推導(dǎo)。
為了實(shí)現(xiàn)差接橋型中等帶寬電路,從β2和β3中分出電容路中產(chǎn)生的負(fù)電容后,得出圖4的等效電路,如圖5所示。
在圖5中:
電感L的設(shè)計(jì)遵循文獻(xiàn)[2]中差接變量器設(shè)計(jì)原理。
利用二等分定理可將圖5的電路轉(zhuǎn)換成橋型再變換成差接橋型中等帶寬電路后,得到圖3所示六晶體中等帶寬濾波器電路。
其余電容按公式(1)進(jìn)行設(shè)計(jì),差接變量器及電感的設(shè)計(jì)與圖5中的L設(shè)計(jì)原理相同。
將同樣的貝塞爾函數(shù)的k、q值代入以上公式,計(jì)算出電路各參數(shù)值,再采用ADS進(jìn)行仿真,得到圖6的中等帶寬電路仿真特性。
為了便于比較,將主要技術(shù)指標(biāo)要求值和仿真值列于表1中。
從對(duì)照表和仿真圖可知,對(duì)于通過(guò)調(diào)試后的仿真指標(biāo),窄帶電路仍然保持通帶寬度的對(duì)稱性,中等帶寬電路保持了通帶群時(shí)延波動(dòng)的平坦性、較好的矩形系數(shù)和較高的阻帶抑制。而且從實(shí)際工作中可知,低端晶體諧振器的頻率在窄帶電路中比在中等帶寬電路中更加偏低,這樣就會(huì)造成晶體諧振器的固有寄生振動(dòng)出現(xiàn)在濾波器的通帶中,這會(huì)使濾波器的群時(shí)延出現(xiàn)跳變,最終造成系統(tǒng)信號(hào)的誤碼、亂碼現(xiàn)象。因此,對(duì)于低頻晶體濾波器,當(dāng)通帶寬度接近晶體串并聯(lián)間隔的2倍時(shí),雖然仍屬窄帶范疇,但是采用中等帶寬電路設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)前面中等帶寬電路理論推導(dǎo)得出的設(shè)計(jì)公式計(jì)算出電路的元件參數(shù),并通過(guò)實(shí)際電路進(jìn)一步驗(yàn)證,其實(shí)際電路如7圖所示。
實(shí)際電路中,與電感并聯(lián)的電容均采用微調(diào)電容,是為了便于吸納電路中分布電容,C9和C10電容能夠?qū)V波器的矩形系數(shù)起到調(diào)節(jié)作用,一般在實(shí)際電路中通過(guò)首次調(diào)試確定其參數(shù)值。圖8給出濾波器的實(shí)際測(cè)試曲線,表2給出仿真值與實(shí)測(cè)值比較結(jié)果。從表2可知,實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)與仿真值非常接近,特別是50 kHz帶寬的群時(shí)延平坦性,和阻帶的矩形系數(shù)達(dá)到一個(gè)很好的綜合性指標(biāo)要求。
我們將該產(chǎn)品與國(guó)外TEMEX公司生產(chǎn)的同類型產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較,如表3所示,圖9為TEMEX公司產(chǎn)品的實(shí)測(cè)曲線圖(屏幕截圖)。
通過(guò)比較可知,我們的產(chǎn)品在通帶中心頻率附近的群時(shí)延平坦度、矩形系數(shù)和阻帶抑制方面優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品,而國(guó)外產(chǎn)品在全通帶范圍內(nèi)的群時(shí)延波動(dòng)較小,通帶的對(duì)稱性好。從實(shí)用方面而言,我們的產(chǎn)品綜合指標(biāo)較高,因此更具實(shí)用性和先進(jìn)性。
通過(guò)以上介紹可知,對(duì)于有平滑群時(shí)延要求的低頻晶體濾波器設(shè)計(jì),雖然相對(duì)帶寬仍在窄帶范疇,如果帶寬大于晶體諧振器串并聯(lián)間隔的1.5倍以上,就可以考慮采用本文所介紹的中等帶寬晶體濾波器平滑群時(shí)延設(shè)計(jì)方法。這樣既解決了帶寬寬度的問(wèn)題,又避免晶體寄生出現(xiàn)在通帶內(nèi)造成群時(shí)延波動(dòng)較大的問(wèn)題,同時(shí)又能確保器件在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。
隨著整機(jī)的發(fā)展,對(duì)晶體濾波器不但要求有更高的頻率選擇性,即帶寬寬、損耗小和矩形系數(shù)小,而且也要求通帶內(nèi)有平滑群時(shí)延,因此中等帶寬晶體濾波器平滑群時(shí)延設(shè)計(jì)填補(bǔ)了平滑群時(shí)延濾波器寬帶這方面的空白。仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為這種設(shè)計(jì)方法提供了可行性,而且也縮短了研制周期。
本文中的晶體濾波器已經(jīng)應(yīng)用在整機(jī)中,并獲得用戶認(rèn)可,即將進(jìn)入小批量試生產(chǎn)階段。在此,對(duì)給予該項(xiàng)目支持和幫助的領(lǐng)導(dǎo)和同事們表示深深的感謝!
[1]方秀峰.線形相位濾波器[J].壓電晶體及其應(yīng)用,1993(3):121.
FANG Xiu-feng.Linear Phase Filter[J].Piezoelectric Crystal and its Application,1993(3):121.(in Chinese)
[2]李忠誠(chéng).現(xiàn)代晶體濾波器設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1981:40.
LI Zhong-cheng.Design of Modern Crystal Filter[M].Beijing:National Defense Industry Press,1981:40.(in Chinese)
[3]周承聯(lián).晶體濾波器的理論與計(jì)算[M].北京:人民郵電出版社,1978:221-222.
ZHOU Cheng-lian.Theory and Calculation of Crystal Filter[M].Beijing:People′s Posts&Telecom Press,1978:221-222.(in Chinese)
Smooth Group Delay Design of Medium Bandwidth Crystal Filter
JIANG Shan,LUO Nan-ying
(Chengdu Spaceon Electronics Co.,Ltd.,Chengdu 611731,China)
Comparison of the function characteristics of Bessel filter of narrow-band circuit and mid-band circuit demonstrates the advantages of application of mid-band circuit Bessel filter in the design of low-frequency narrow-band crystal filter.The filters have smoothed group delay characteristics of 0.1μs fluctuation around the center frequency and the stop-band rectangular coefficient is ensure to be less than 3 after modifing the shortcomings of time-domain function and balancing the inconsistency of frequency and time domains in narrow-band crystal filters through computer simulation.The unity of opposites of constant group delay and small rectangular coefficient is realized in the low-frequency narrow-band crystal filter.The probability of error or messy code in the overall unit and system is reduced and the complete equipment has a high degree of clutter suppression.
crystal filter;medium bandwidth;smooth group delay;rectangular coefficient;circuit design
TN713
A
10.3969/j.issn.1001-893x.2010.06.025
江山(1973-),女,重慶人,碩士,主要研究方向:晶體濾波器。
1001-893X(2010)06-0109-05
2010-01-26;
2010-05-25
JIANG Shan was born in Chongqing,in 1973.She is now an engineer with the M.S.degree.Her research direction is crystal filter.
Email:jscx1998@yahoo.com.cn