數(shù)控可選通微帶濾波器組的設(shè)計(jì)與仿真

曹良足,符先敏,蔡兵兵，李子敬

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，濾波器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。常用電調(diào)濾波器的調(diào)頻范圍有限，數(shù)控可選通微帶濾波器可設(shè)計(jì)更寬的調(diào)頻范圍，更方便的調(diào)頻方式。張宇平等[1]研究了五路開關(guān)濾波器組，每個(gè)開關(guān)由1只梁式PIN二極管和3個(gè)并聯(lián)的PIN二極管管芯組成，單個(gè)開關(guān)的插入損耗達(dá)1.5 dB。譚笑等[2]分析了兩波段開關(guān)濾波器的功率容量、散熱和高低波段間的隔離度問(wèn)題，每個(gè)開關(guān)由2只串聯(lián)的PIN管構(gòu)成的。侯芳等[3]研制了小型化微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)濾波器，由4個(gè)MEMS濾波器和2個(gè)PIN單刀四擲開關(guān)構(gòu)成，開關(guān)濾波器的插入損耗最大約為4.7 dB。王玲等[4]研制了8路開關(guān)窄帶濾波器，每個(gè)開關(guān)由1個(gè)串聯(lián)PIN管和1個(gè)并聯(lián)PIN管組成的Γ型結(jié)構(gòu)，但開關(guān)濾波器的插入損耗高達(dá)18～25 dB。楊曉東等[5]設(shè)計(jì)并制作了基于低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝技術(shù)的8通道選頻開關(guān)濾波器組，采用單刀八擲的開關(guān)芯片來(lái)選通2 700～3 050 MHz頻段的8個(gè)濾波器。曹良足等[6]研制了L波段選頻器，通過(guò)2位晶體管-晶體管邏輯(TTL)信號(hào)選通4路介質(zhì)濾波器，開關(guān)控制由PIN管和譯碼器構(gòu)成，但濾波器間的隔離度較低。S. Bendikt等[7]采用MEMS開關(guān)改變微帶諧振器的電長(zhǎng)度的方法，設(shè)計(jì)了一種可選頻(537～728 MHz)濾波器，插入損耗為2.5～5.5 dB。H. Inoue等[8]采用MEMS開關(guān)調(diào)節(jié)諧振器電長(zhǎng)度的方法，設(shè)計(jì)選頻范圍為1.4～2.7 GHz，插入損耗小于3 dB的可選通濾波器。上述開關(guān)濾波器組所用的開關(guān)有PIN管、開關(guān)芯片和MEMS開關(guān)3種。由PIN管設(shè)計(jì)的多路開關(guān)濾波器，其偏置電路較復(fù)雜，濾波器間的隔離度較低；MEMS開關(guān)構(gòu)成開關(guān)濾波器的插入損耗較低，但MEMS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓較高，開關(guān)芯片是設(shè)計(jì)開關(guān)濾波器的理想開關(guān)。由此可看出，選頻范圍都較窄，上、下限頻率之比未超過(guò)2。本文設(shè)計(jì)的可選通濾波器組的頻率范圍為500～2 000 MHz，上、下限頻率之比高達(dá)4。為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用兩片開關(guān)集成芯片作為單刀四擲開關(guān)，選擇梳狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4個(gè)濾波器。

1 微帶線濾波器的設(shè)計(jì)

1.1 諧振器的諧波特性

本文需設(shè)計(jì)4個(gè)不同中心頻率(0.5 GHz、1.0 GHz、1.5 GHz 和2.0 GHz)的帶通濾波器，相對(duì)帶寬為20%，級(jí)數(shù)為2，插入損耗小于1 dB。由于4個(gè)濾波器的中心頻率間存在倍數(shù)關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮濾波器的諧波頻率。

對(duì)于λ/2(λ為波長(zhǎng))諧振器，其諧波頻率為基波頻率(f0)的整數(shù)倍，即2f0，3f0，…；對(duì)于λ/4諧振器，其諧波頻率為f0的奇數(shù)倍，即3f0，5f0，…。由此可知，0.5 GHz和1.0 GHz濾波器不能用λ/2的諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠渲C波頻率為另外2個(gè)濾波器的中心頻率。因此，選擇λ/4的微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)這4個(gè)濾波器，但0.5 GHz濾波器的第一個(gè)諧波頻率為1.5 GHz。本文選擇終端加載電容的辦法使濾波器的諧波頻率遠(yuǎn)離其他濾波器的中心頻率，同時(shí)也使濾波器小型化，等效原理圖如圖1所示。 圖中，Z0、θ和CL分別為諧振器的特性阻抗、電長(zhǎng)度及加載電容。

圖1 加載電容的微帶諧振器

加載電容諧振器的諧振條件為

(1)

取Z0=70 Ω，f0=0.5 GHz，由式(1)可知，CL隨θ變化，諧波頻率(fs)也隨θ而變。圖2為仿真波形。圖中S21為插入損耗。由圖可看出，θ越小，fs越高, 當(dāng)θ=45°時(shí)，fs=2.14 GHz，靠近第4個(gè)濾波器的通帶(1.8～2.2 GHz)。因此,要想諧波頻率遠(yuǎn)離其他濾波器的中心頻率，則需0.5 GHz濾波器的電長(zhǎng)度θ<45°。

圖2 諧波頻率隨電長(zhǎng)度變化

1.2 梳狀微帶線帶通濾波器設(shè)計(jì)

選取0.5 dB的切比雪夫低通原型進(jìn)行兩級(jí)帶通濾波器的設(shè)計(jì)，低通原型歸一化元件參數(shù)[9]為g0=1.000 0，g1= 1.402 9，g2= 0.707 1和g3= 1.984 1，濾波器的耦合系數(shù)k12和外部品質(zhì)因數(shù)Qe值[9]分別為

(2)

(3)

式中BW為帶通濾波器的通帶帶寬。

以中心頻率f0=0.5 GHz的微帶線濾波器的設(shè)計(jì)為例。由式(2)、(3)可得k12=0.2，Qe=7.01。設(shè)置介質(zhì)基板厚為0.787 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0。

圖3為兩級(jí)梳狀線帶通濾波器的等效原理圖。圖中，C1和C2為加載電容，容量用Cv表示，CLin1和CLin2為耦合微帶線，其總長(zhǎng)度為l0，間距為s12，Tee1與TL1，Tee2與TL2構(gòu)成抽頭式輸入/輸出結(jié)構(gòu)，其位置用t表示，即耦合線CLin1的長(zhǎng)度，fC3為按3 dB帶寬來(lái)計(jì)算濾波器的中心頻率。采用ADS軟件進(jìn)行仿真[10]，將上述變量加入VAR中，并用ADS自帶的調(diào)諧和優(yōu)化功能調(diào)節(jié)和優(yōu)化各個(gè)變量，以得到最優(yōu)的頻響曲線，如圖4(a)所示。由圖可知，濾波器的中心頻率f0=0.5 GHz，3 dB帶寬BW3 dB=109.7 MHz,濾波器在2 GHz (光標(biāo)m1) 附近的衰減大于20 dB,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。按這個(gè)方法可得到其他3個(gè)濾波器的最優(yōu)參數(shù)值，濾波器的波形如圖4(b)～(d)所示。圖中，S1,1為反射系數(shù)的幅值，S2,1為傳輸系數(shù)的幅值。由圖可知，各濾波器的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖3 兩級(jí)梳狀線帶通濾波器的原理圖

圖4 濾波器的頻率響應(yīng)曲線

2 數(shù)控濾波器組設(shè)計(jì)

2.1 微波開關(guān)的選擇

本文選用ADI公司生產(chǎn)的開關(guān)芯片，其中HMC244AG16是單刀四擲開關(guān)芯片(SP4T)，但該產(chǎn)品價(jià)格高(1 376元/片)，而單刀六擲開關(guān)芯片(SP6T)HMC252AQS24E的價(jià)格較適宜(126元/片)，該微波開關(guān)插入損耗較低(小于0.9 dB (DC～2.0 GHz))，隔離度高(大于35 dB (DC～2.0 GHz)),非反射設(shè)計(jì)，集成式3∶6 TTL解碼器，單正電源，Vdd=+5 V或+3.3 V。

本文應(yīng)選用四通道的微波開關(guān)，但考慮做實(shí)物的成本問(wèn)題，且四通道和六通道各項(xiàng)參數(shù)都相同，因此選取價(jià)格適中的六通道開關(guān)芯片HMC252AQS24E，其真值表如表1所示。

表1 HMC252AQS24E真值表

選擇2個(gè)HMC252AQS24E微波開關(guān)控制濾波器組的輸入、輸出端口，實(shí)現(xiàn)濾波器組各通道的選通，考慮到線路板上布線不能交叉，兩開關(guān)芯片的位置反向排列，這樣導(dǎo)致同一濾波器的輸入、輸出端與兩芯片的連接端不同，按照該芯片的引腳分布圖[11]布線，輸入端芯片的RF1、RF2、RF3、RF4分別與輸出端芯片的RF6、RF5、RF4、RF3相對(duì)應(yīng)(見(jiàn)表1)。

由表1可知，輸入、輸出開關(guān)的A、C兩個(gè)控制端口的電平互反。因此，只需以輸入開關(guān)為標(biāo)準(zhǔn)，在輸出開關(guān)的A、C兩個(gè)端口分別加上一個(gè)邏輯非門。

2.2 開關(guān)的等效電路

由于ADS元件庫(kù)中沒(méi)有HMC252模型，本文根據(jù)HMC2522AQS24E的插入損耗和隔離度，將每路開關(guān)等效為集總元件，導(dǎo)通時(shí)等效為電阻(R)，關(guān)斷時(shí)等效為電容(C)。圖5為開關(guān)的特性曲線。圖5(a)是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，插入損耗與等效電阻的關(guān)系曲線，圖5(b)是開關(guān)關(guān)斷時(shí)，隔離度與等效電容的關(guān)系曲線。由圖可知，導(dǎo)通時(shí)，取R=10 Ω，插入損耗小于0.9 dB;關(guān)斷時(shí)，取C=0.01 pF,隔離度大于35 dB(DC～2.0 GHz)。

圖5 開關(guān)的特性

2.3 仿真和結(jié)果分析

將開關(guān)的等效電路和4個(gè)濾波器連在一起組成開關(guān)濾波器組，并用ADS進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖6所示。圖中，4個(gè)兩端口元件是基于4個(gè)濾波器的S參數(shù)文件(*.s2p)，這樣可使原理圖清晰，輸入、輸出端口的電阻和電容是開關(guān)(K1～ K4)的等效電路，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，等效為電阻；開關(guān)關(guān)斷時(shí)，等效為電容。圖中K1導(dǎo)通，K2～ K4關(guān)閉，即中心頻率為0.5 GHz時(shí)處于選通狀態(tài)。

圖6 可選通微帶線濾波器的仿真電路圖

當(dāng)開關(guān)K1導(dǎo)通, 開關(guān)K2～K4均斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)芯片的數(shù)字信號(hào)ABC=000,中心頻率為0.5 GHz的帶通濾波器導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)K2導(dǎo)通, 開關(guān)K1、K3和K4斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)芯片的數(shù)字信號(hào)ABC=100,f0=1.0 GHz的帶通濾波器導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)K3導(dǎo)通, 開關(guān)K1、K2和K4斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)芯片的數(shù)字信號(hào)ABC=010,中心頻率為1.5 GHz的帶通濾波器導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)K4導(dǎo)通, 開關(guān)K1～K3均斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)芯片的數(shù)字信號(hào)ABC=110, 中心頻率為2.0 GHz的帶通濾波器導(dǎo)通。

圖7 數(shù)控可選通帶通濾波器仿真波形

圖7為開關(guān)濾波器的仿真波形。第1 路濾波器的中心頻率為498.9 MHz，3 dB帶寬為104.4 MHz，插入損耗為1.84 dB。第2 路濾波器的中心頻率為998.5 MHz，3 dB帶寬為198.2 MHz，插入損耗為1.83 dB。第3路濾波器的中心頻率為1.492 GHz，3 dB帶寬為294.8 MHz，插入損耗為1.78 dB。第4 路濾波器的中心頻率為1.991 GHz，3dB帶寬為393 MHz,插入損耗為1.77 dB。

由圖7可看出，通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制開關(guān)的導(dǎo)通，可選通濾波器組的某一個(gè)濾波器，與單個(gè)濾波器相比，開關(guān)濾波器的3 dB帶寬減小，插入損耗增大約1.7 dB，濾波器插入損耗增大由濾波器兩邊的開關(guān)引起。由圖7還可看出，0.5 GHz濾波器在1～4 GHz內(nèi)未出現(xiàn)諧波，滿足本文設(shè)計(jì)要求。

圖8為采用Altium Designer畫出電路板圖。電路板尺寸為65.9 mm×58.2 mm，背面敷銅接地。

圖8 PCB板圖

用電烙鐵將開關(guān)芯片、集總元件、邏輯非門芯片和SMA接頭焊接在電路板上，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071進(jìn)行測(cè)試。實(shí)物照片如圖9所示。

圖9 實(shí)物照片

測(cè)量結(jié)果表明，測(cè)量的數(shù)據(jù)與理論上的相差很大，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，帶電焊接產(chǎn)生靜電和高溫，從而導(dǎo)致HMC252芯片被擊穿。經(jīng)過(guò)咨詢得知應(yīng)使用載流焊工藝焊接開關(guān)芯片。由于本單位無(wú)載流焊設(shè)備，所以未得到滿意的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

數(shù)控可選通濾波器組由2片開關(guān)芯片和4個(gè)梳狀線濾波器構(gòu)成。

1) 電容加載的λ/4諧振器不僅使濾波器小型化，且使諧波頻率大于8倍基波頻率，從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶濾波器組的各路濾波器選通。

2) 根據(jù)開關(guān)芯片的特性可通過(guò)ADS仿真得到開關(guān)的等效電路。

3) 梳狀線濾波器的輸入、輸出端加上開關(guān)芯片后，各個(gè)濾波器除通帶插入損耗增大約1.7 dB外，其他性能參數(shù)基本保持不變。

4) 濾波器的裝配過(guò)程中應(yīng)避免帶電焊裝半導(dǎo)體集成開關(guān)芯片，否則導(dǎo)致芯片擊穿。