王燕君（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

一種基于ADS的電調(diào)諧濾波器的新設(shè)計(jì)?

王燕君
（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

設(shè)計(jì)了一種用于跳頻通信系統(tǒng)接收機(jī)射頻前端的UHF頻段電調(diào)諧濾波器。使用安捷倫公司的微波仿真軟件ADS對(duì)電調(diào)諧濾波器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。對(duì)制成品的實(shí)際測(cè)試表明，該調(diào)諧濾波器工作頻段為225～400 MHz，3 dB帶寬6.5～15 MHz，通帶增益24～27 dB，矩形系數(shù)小于6.2，其性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在不同的頻點(diǎn)都具有良好的電參數(shù)指標(biāo)。所提方法對(duì)電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

跳頻通信；射頻前端；電調(diào)諧濾波器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)優(yōu)化

1 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種軍用、民用電子設(shè)備同時(shí)使用，電磁信號(hào)密集多樣，工作頻率相對(duì)集中，空間電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。跳頻技術(shù)由于其出色的保密和抗干擾能力不僅在軍事通信中大顯身手，較好地滿(mǎn)足了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)提出的電子對(duì)抗與反對(duì)抗的要求，而在民用通信中也展示了良好的應(yīng)用前景。應(yīng)用在跳頻通信系統(tǒng)中的電調(diào)諧濾波器是一種能快速跟蹤頻率變化的帶通濾波器，它使調(diào)諧頻率附近的信號(hào)順利通過(guò)，而遠(yuǎn)離調(diào)諧頻率的信號(hào)受到較大幅度的衰減。這種調(diào)諧濾波器可有效地改善接收機(jī)的信噪比，并能有效地解決多部通信設(shè)備同時(shí)通信的干擾和電磁兼容問(wèn)題。

本文運(yùn)用ADS仿真軟件，結(jié)合可靠的設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)出了一種用于跳頻通信系統(tǒng)接收機(jī)射頻前端的UHF頻段電調(diào)濾波器。該電調(diào)濾波器工作于225～400 MHz頻段范圍，電路要求其增益范圍為23～28 dB，3 dB帶寬范圍為6.5～15 MHz，矩形系數(shù)（30 dB／3 dB）小于7。

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該電調(diào)諧濾波器采用參差調(diào)諧回路的設(shè)計(jì)方法，參差調(diào)諧回路不同于級(jí)聯(lián)的單調(diào)諧回路，級(jí)聯(lián)單調(diào)諧回路的諧振頻率是相同的，而參差調(diào)諧回路的各級(jí)單調(diào)諧頻率分別比整個(gè)調(diào)諧回路的中心頻率高或低Δfd，參差調(diào)諧回路兼有單調(diào)諧回路電路簡(jiǎn)單、易調(diào)整和雙調(diào)諧回路頻帶寬、矩形系數(shù)好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了單調(diào)諧回路頻帶窄、選擇性差和雙調(diào)諧回路電路復(fù)雜、調(diào)整困難的缺點(diǎn)。

圖1是該電調(diào)諧濾波器的電路結(jié)構(gòu)。

考慮到系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)高線(xiàn)性及高靈敏度的要求，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)把調(diào)諧回路和可變?cè)鲆娣糯笃饔袡C(jī)地結(jié)合在一起，共同完成選頻放大功能，因此設(shè)計(jì)電調(diào)諧濾波器實(shí)際也相當(dāng)于設(shè)計(jì)諧振放大器。

圖1中，兩級(jí)放大器位于接收機(jī)前端，尤其是第一級(jí)放大器，是整個(gè)接收機(jī)高線(xiàn)性和高靈敏度實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。根據(jù)噪聲系數(shù)計(jì)算公式，在電調(diào)濾波器之前的插損確定的情況下，放大器N1的噪聲系數(shù)和增益基本確定了接收機(jī)的總噪聲系數(shù)。本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為S888T的雙柵MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管作為低噪聲放大器，該放大器工作頻率為100～1 300 MHz，頻率為400 MHz時(shí)，增益17 dB，噪聲系數(shù)為1 dB，當(dāng)改變第二柵工作電壓時(shí)，增益變化范圍40 dB。

基于接收機(jī)高選擇性的要求，本設(shè)計(jì)采用三級(jí)調(diào)諧回路級(jí)聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，調(diào)諧回路采用變?nèi)荻O管作為調(diào)諧元件，通過(guò)改變變?nèi)荻O管的偏置電壓改變諧振回路的電容值，從而方便地調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率。諧振回路中采用兩只變?nèi)荻O管背靠背的連接形式可以消除變?nèi)荻O管產(chǎn)生的基頻諧波，有效地減少交調(diào)失真產(chǎn)物。為提高諧振回路的有載品質(zhì)因素，防止輸入輸出負(fù)載對(duì)諧振回路Q(chēng)值的影響，諧振回路采用電感抽頭部分接入的方法使之與前后回路進(jìn)行阻抗匹配。

這里，變?nèi)荻O管成為電路的核心器件，下面對(duì)變?nèi)荻O管略做介紹。變?nèi)荻O管是一種利用半導(dǎo)體的PN結(jié)電容隨外加反偏電壓變化而變化的原理制成的半導(dǎo)體二極管。圖2給出了變?nèi)荻O管的等效電路。圖中，Cj為結(jié)電容；Rs為變?nèi)荻O管的等效串聯(lián)電阻（包括PN結(jié)電阻、接線(xiàn)電阻和引線(xiàn)電阻），該電阻越大，變?nèi)荻O管產(chǎn)生的損耗也越大；Ls為引線(xiàn)電感；R為反向電阻。在較高頻率時(shí)，反向電阻R可忽略不計(jì)，等效電路簡(jiǎn)化為圖（b）。在頻率不高的情況下，串聯(lián)引線(xiàn)電感Ls也可以忽略，電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖（c）。本設(shè)計(jì)中采用的變?nèi)荻O管是飛利浦公司的BB178，其變?nèi)葜蹬c偏置電壓的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，變?nèi)荻O管的最大電容值和最小電容值分別為46pF、2.7pF。濾波器頻率可調(diào)范圍最大為

由公式（3）可知，變?nèi)荻O管BB178滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

從圖3中可看到，變?nèi)荻O管的電容值隨著直流偏置電壓的增大而減小，由于諧振頻率

因此諧振頻率隨直流偏置電壓的增大而增大。

為保證接收機(jī)的高選擇性，選擇電感時(shí)應(yīng)選擇Q值較高的，但是一般色環(huán)電感和貼片電感的Q值都較低，故本設(shè)計(jì)中采用漆包線(xiàn)繞制的線(xiàn)圈電感作為諧振電感。另外，通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈的疏密可方便調(diào)整LC回路的各項(xiàng)指標(biāo)。

3 ADS仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，借助安捷倫公司的仿真軟件ADS對(duì)圖1所示的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，以提高設(shè)計(jì)效率和成功幾率，降低調(diào)試時(shí)間。仿真前需要建立仿真模型和設(shè)計(jì)各種參數(shù)。首先把電感和電容的元件值代入相應(yīng)的模型里，然后建立放大器和變?nèi)荻O管模型，接著把雙柵MOSFET放大器S888T

和變?nèi)荻O管BB419的S2P文件導(dǎo)入各自的模型里。圖4（a）、（b）分別為中心頻率225 MHz、400 MHz的S21仿真結(jié)果。

最后利用安捷倫公司的E5061A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)電調(diào)諧濾波器S參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，圖5（a）、（b）分別為中心頻率225 MHz、400 MHz的測(cè)試結(jié)果。

從圖4和圖5可看出，隨著中心頻率的升高，濾波器帶內(nèi)增益稍有增大，但矩形系數(shù)將變差。這主要是因?yàn)殡S著直流偏置電壓的升高，變?nèi)荻O管的結(jié)電容值Cj和串聯(lián)寄生電阻Rs都將減小，電阻Rs的減小使濾波器增益有所增大。另外，由于電容減小的幅度大于寄生電阻減小的幅度，電路的平均儲(chǔ)能與平均耗能的比值將下降，即電路的Q值降低，導(dǎo)致濾波器矩形系數(shù)變差。

電調(diào)諧濾波器仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，該設(shè)計(jì)較好地完成了電調(diào)諧濾波器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。但是由于實(shí)際電路中空心線(xiàn)圈寄生電阻的影響，以及測(cè)試電纜及轉(zhuǎn)接頭等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果的增益略低于仿真結(jié)果。另外，由于實(shí)際電路中變?nèi)荻O管Q值較低，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果中矩形系數(shù)及帶外衰減特性略差于仿真結(jié)果。因此，為使電調(diào)濾波器獲得較好的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇Q值較高、寄生電阻較小的空心線(xiàn)圈和變?nèi)荻O管。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電調(diào)諧濾波器具有體積小、功耗低、選擇性好、不同的頻點(diǎn)電參數(shù)一致性好等特點(diǎn)，同時(shí)較好地解決了插損和帶寬之間的矛盾。目前，隨著干擾和抗干擾技術(shù)的發(fā)展，跳頻技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，除了軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，跳頻技術(shù)也向民用通信領(lǐng)域發(fā)展?，F(xiàn)代新興的通信方式要求采用能節(jié)約頻帶的技術(shù)，從而解決頻帶擁擠的問(wèn)題。而跳頻通信固有的窄帶通信方式，可以和民用通信兼容，是提高頻帶利用率的有效途徑。因此，跳頻電調(diào)諧濾波器有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著跳頻通信設(shè)備向?qū)掝l帶、高速率、數(shù)字化、低功耗的方向發(fā)展，跳頻濾波器已顯示出很好的發(fā)展前景。

［1］陳邦媛.射頻通信電路［M］.北京：科學(xué)出版社，2005. CHEN Bang-yuan.Radio Frequency Communication Circuit［M］.Beijing：Science Press，2005.（in Chinese）

［2］周蘭飛，王王景，張玲.一種高頻帶通LC濾波器的設(shè)計(jì)方法［J］.電訊技術(shù)，2008，48（6）：82-85. ZHOU Lan-fei，WANG Jing，ZHANG Ling.A Design Method of High Frequency Band Pass LC Filter［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（6）：82-85.（in Chinese）

［3］王康年.高頻電子線(xiàn)路［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009. WANG Kang-nian.High Frequency Electron Circuit［M］. Xi′an：Xidian University Press，2009.（in Chinese）

［4］彭小峰，雷李，張里.跳頻接收機(jī)中調(diào)諧高放電路的設(shè)計(jì)［J］.信息安全與保密，2007，25（1）：93-95. PENG Xiao-feng，LEILi，ZHANG Li.Design of Tuning High Frequency Amplifier Circuitin the Frequency-hopping Radio［J］.China Information Security，2007，25（1）：93-95.（in Chinese）

［5］王洪勝，柴旭榮，謝永斌.225～400 MHz壓控調(diào)諧濾波器的實(shí)現(xiàn)［J］.電子對(duì)抗，2007（3）：35-38. WANG Hong-sheng，CHAIXu-rong，XIE Yong-bin.Realization Approach of Voltage-controlled Tuned Filters of the Frequency Band of225 MHz～400 MHz［J］.Electronic Warfare，2007（3）：35-38.（in Chinese）

［6］林彬，張玉興.電調(diào)諧LC濾波器的研究與設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（4）：107-109，112. LIN Bin，ZHANG Yu-xing.Study and Design of Electrically Tunable LC Filter［J］.Modern Electronic Technique，2008，31（4）：107-109，112.（in Chinese）

A New Design of Electrically Tunable Filter Based on ADS

WANG Yan-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

An ultra high frequency（UHF）band electrically tunable filter is designed for frequency-hopping（FH）communication system RF front-end.The electrically tunable filter′s structure is designed and its parameters are optimized by Agilent′s ADS software.The testofthe productindicates thatits operation band is 225～400 MHz，3 dB band is 6.5～15 MHz，pass band gain is 24～27 dB，rectangle coefficient is less than 6.2.The electrically tunable filter meets the design requirements and it achieves excellent electrical characteristics for each frequency point.The proposed method is of guidance for the design of electrically tunable filters.

frequency hopping communication；RF front-end；electrically tunable filter；structure design；parameter optimization

the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.She is now an engineer. Her research concers radio frequency communication.

1001-893X（2012）03-0367-04

2012-01-04；

2012-03-14

TN713

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.023

王燕君（1974—），女，山西祁縣人，2009年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事射頻通信的研究。

Email：wyj-cx＠sohu.com

WANG Yan-jun was born in Qixian，Shanxi Province，in 1974.She