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一种新型可调谐微带带通滤波器的设计

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第24卷第9期 .电子测量与仪器学报 JoURNALoFELECTRoNICMEASUREMENTANDINSTRUMENT 24Ⅳ0.9 866. 2010年9月 D0I:10.3724/SP.J.1 187.20l0.00866 一种新型可调谐微带带通滤波器的设计 周研 刘祖深 陈应兵2 (1.中北大学,太原030051;2.中国电子科技集团公司第四十一研究所,蚌埠233006) 摘要:利用微带线的原理和电压凋谐变容二极管的特性,结合对射频捷变信号源中常用的上变频系统的研究,设计出一 种中心频率可调谐、相对带宽可调谐、可进行精度校准的微带带通滤波器。该滤波器针对射频输出中包含的多种杂散分量的特 征,应用单级滤波网络或谐振网络进行专门抑制再级联,具有原理简单、结构灵活、易于扩展、调谐速度快、T作频带宽、尺 寸小、成本较低等优点。实际测试结果与利用Serenade8.7软件仿真结果基本一致,性能指标能够达到设计要求。 关键词:调谐;可校准;微带带通滤波器 中图分类号:TN713 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.4030 Design of a novel tunable microstrip band pass filter Zhou Yan Liu Zushen Chen Yingbing (1.North University ofChina,Taiyuan 030051,China;2.The 41st Institute ofCETC,Bengbu 233006,China) Abstract:According to the principle of micro—strip and the characteristics of voltage tuning variable capacitance diode,the scheme of a center frequency and pass band width tunable,precision calibrating micro—strip band pass filter (BPF)is presented in this paper,which is based on the study of up—converter system in radio frequency(RF)frequency agile synthesizer.Aiming at the characteristics of varied spurs in RF output,this BPF use the special single filter circuits or resonance oscillatory circuits to suppress the different spurs.It has merits such as simple theory,flexible and expan— sible structure,fast tuning,wide band,compact dimensions,low cost,and etc.The actual measure ment results and BPF simulation results using simulation software Serenade8.7 are basically consistent,their performances meeting the design objective. Keywords:tunable;calibration;microstrip band pass filter 1 引 言 在通信电路中,为了实现宽频带数字调制, 相对带宽不变,工作带宽较大时需要数目较多的滤 波器,结构复杂:YTF滤波器_T作频段在微波波段, 中心频率可调谐,相对带宽基本不变,且受磁滞现 象的影响,调谐速度慢。 美国于20世纪80年代开始研制电压调谐滤波 器,具有调谐速度快、工作频带宽的优点,广泛应用 于军事通信中。近年来,我国也开始研究电压调谐滤 可将窄带数字调制信号进行变频,覆盖整个频段。 变频即频谱搬移,是将载频为 的已调波变换为载 频为 的已调波的过程。这种频率的变换可以保留 输入波形的调制方式、携带信息等,且波形不 失真。 波器,并开始应用于无线跳频通信系统中。 提出了一种应用于射频捷变信号源变频系统中 的微带带通电压调谐滤波器的设计。与传统研究相 比,本文研究的滤波器原理更简单,结构更灵活、更 在射频信号源变频系统中,由于扫描的本振信 号和固定的中频信号混频输出的扫描的射频信号会 伴随丰富的杂散分量,严重影响输出信号的质晕, 过去常应用开关滤波器与YTF可调谐铁氧体带通滤 波器进行滤除。开关滤波器波段多,中心频率不变, 本文于2010年7月收到。 易于集成,不仅中心频率可调谐、相对带宽可调谐, 还可实现精度校准。 第9期 一种新型可调谐微带带通滤波器的设计 ・867・ 2设计分析 2.1变频设计分析 在某射频信号源上变频系统中,本振信号为 I 100~I 700 MHz频段,以10 MHz步进扫描的信号, 中频信号为300 MHz点频或已调载波信号。依据变 频原理,本振信号 0与中频信号. 进行混频后,输 出的射频信号频率f ̄Y=fLo+flF,为1 400~2 000 MHz 频段、以l0MHZ步进扫描的信号。 输出杂散信号包括频率扫描的本振泄漏信号、 镜像信号、交调信号及频率固定的中频泄漏信号、 中频谐波信号等。本振泄露信号即泄露到输出端的 本振信号,频率即本振频率。镜像信号频率fM=fLo--fIu, 为800~1 400 MHz频段、以10 MHz步进扫描的信号。 交调信号频率fi=mfcoinflF,其巾,,为阶数, =m+n (r≥3)。因此靠近输出频率的三阶交调信号为1 700~ 2 300 MHz频段、以10 MHz步进扫描的信号,四阶 交调信号为1 600~2 800 MHz频段、以20 MHz步进 扫描的信号。以及频率固定的300 MHz的巾频泄露 信号、600 MHz的中频二次谐波信号、900 MHz的 中频三次谐波信号等杂散分量。 2.2设计指标要求 根据系统要求,设计一种中心频率、相对带宽可 调谐的带通滤波器,要求的主要技术指标: 1)中心频率可调谐范围:1 400~2 000 MHz 2)调谐电压:4~20 V(DC) 3)通带可调带宽(3 dB带宽):<200 MHz 4)中心频率插损:<5 dB 5)阻带衰减:≥50 dB 3 设计方案 3.1设计思路 上变频系统中的可调谐带通滤波器如果用窄带 带通滤波方式直接实现,设计结构较复杂,调谐难 度较大。为了简化调谐难度、提高结构灵活性,可根 据每种杂散信号的频率值、频率变化以及与所需信 号的相对频率差等特征,采用与之相对应的单级滤 波网络或谐振网络进行分级滤波。 主要思路为利用截止频率可变的高通和低通滤 波器构成中心频率、相对带宽可调谐的宽带带通滤 波器:再利用谐振频率可变的带阻滤波器增大阻带 衰减速率,限制通带范围;由于滤波器存在一定的 插损,需在各滤波器子级之问插人缓冲放大器控制 增益平衡,并在高通和低通滤波器之问用衰减器隔 离,减小滤波器的相互影响,实现阻抗匹配。 3.2硬件方案设计 首先,应用截止频率可变的高通滤波器抑制频 率低于输出频率的频率固定的中频泄露、中频谐波 信号及频率扫描的交调信号。CPU输出的数字信号 经高通DAC转换为模拟控制电压加在变容二极管两 端,变容二极管的表征容值随模拟电压的变化而变 化,从而改变高通滤波器的截止频率,实现跟踪高 通滤波。硬件实现方案如图1所示。图l中黑色粗 线为容性微带线,黑色细线为感性微带线。由于使用 微带线设计,电感值选取受到限制,选择1.3 ̄0.3 nH 的电感,可变电容的调谐范围3.3~7.5 pF。 容性微带线 图1可调高通滤波器实现方案 Fig.1 Tuning HPF scheme 然后,应用截止频率可变的低通滤波器抑制频 率高于输出频率的频率扫描的交调信号。如图2所 示。图2中扇形微带线显容性。CPU控制变容二极 管,改变低通滤波器的截止频率,实现跟踪低通滤 波。电感值的选取范围1.3-2.8 nil,可变电容的调谐 范围6~15 pF。 图2可调低通滤波器实现方案 Fig.2 Tuning LPF scheme 用美国Ansoft公司的Serenade8.7软件仿真射频 输出1.4 GHz时,高通、低通滤波器级联形成的带通 滤波器的S21参数曲线如图3所示。带通滤波器的阻 带衰减速度较慢,且衰减幅度达不到指标要求。 电子测量与仪器学报 ・第24卷 868‘ 坼 '矛 低 踟墓 亟n陀』 材料 振点落在本振频率点.曲姥譬  1 1 GHz处,一缴 雨p且猫饭伸叫 船群1工 级 器 黻 . 枷 柏 自 黑 筹 罢等 享  喜 由5级子滤波器 茹 : 嘉 /, / 篓 景 , 徽  阻带衰减速率明显增大,口j浦足 l伯孙女小。 ■可嚣 蓍 _ … 釜 由 号 dB, 一, { \ 一一 … C 级带阻滤波器抑制镜像信号。 Pu铜 ’ 删 : 嚣 主 皇 g.5 S21 parameter waVeiu n u -r Fi实现跟踪带阻滤波。电感值选取2士u・j nH, 懵诹 州 图 4GHz 釜哪 一一‘ ——], f调谐 控制电噬j— I带阻 IDACl 恺 删 电 lDAC2l 坠 l Ij 2 :I 部数 l—外部巾断lr 习 — terconverilterinup-Fig・6 Bl。ck dia am f通滤波器中心频率3.3校准方案设计 为解决变容二极管温漂等不稳定因素造成的带 …。… 一种精度校准方案。校准系统如图8(a)所示连接。校 ~ 偏移等问题、减小调谐误差:,设 第9期 一种新型可调谐微带带通滤波器的设计 ・869・ // \| / 、\  / /| \ ,/ 、 f / / 图7 1.4GHz处带通滤波器S21曲线 Fig.7¥21 parameterWaveformof1.4GHzBEF 信 (a)上变频滤波器校准框图 (a)block diagram of Calibration of up—converter BPF (b)上变频带通滤波器校准流程图 (b)flow chart of Calibration of up-converter BPF 图8滤波器校准 Fig.8 Calibration of up—conveaer BPF 准过程中,网络分析仪和CPU通过GPIB接口 通信传递数据。为实现快速调谐,保证CPU送数速 度,可将预先计算好的5个DAC的数据暂存于 RAM中。 系统校准软件流程如图8fb)所示,系统开机后 初始化,送初始频率的5个DAC数据,从网络仪上 渎出衰减参数。如满足条件,频率步进累加,得到的 频率值送至初始频率寄存器,重复上述操作:如不 满足条件,改变5个DAC数据直至满足条件为止, 再进行频率累加,重复上述操作直到当前频率为最 终设定的频率值,软件校准完成,最终得到每个频 率点上5个DAC所需的精确数据。 4实验结果与分析 图9为利用网络仪实测整个带通滤波器的s 曲 线图。图9(a)为射频输出1.4 GHz时的带通滤波图, 点1处为1.4 GHz射频输出信号,幅度为1.88 dBm, 点4和点5处分别为1.1 GHz本振泄漏信号和 1.7 GHz镜像信号,其幅度衰减均大于一50 dBm,带 通滤波器3 dB带宽约100 MHz;图9(b)为射频输出 2 GHz时的带通滤波图,点1处为2 GHz射频输出信 号,幅度0.473 dBm,点4和点5处分别为1.7 GHz 本振信号和2-3 GHz镜像信号处,其幅度衰减均优于 一50 dBm,带通滤波器3 dB带宽约120 MHz。因此, 整个可调谐带通滤波器的通带带宽与带外杂散抑制 指标均符合设计要求。 4| l 7l7 S }00 00 )GH2 l i. .—爸 标5 1 4000 )G№ ’ —1 4 ^R 1,7 【7790 Gttz | | 3 )lGH dBz  | 。{ 4 一 1.Ii1- 8( 534GdHB2 { l | f \ 、 / \ 矗 j  -, (a)射频输出1.4 GHz的带通滤波图 (a)BPFwaveformof1.4GHzRF output ・870・ 电子测量与仪器学报 第24卷 pass filter with simple loss compensation method[C】. '4/ 2 306 9 19 997 Gttz Asia—Paciic Mifcrowave Conference,2007:1-4. 光标5 】 冬 j \ l,  02— , 440/030 o ).d(jH1Bz3 1.93: 9GHz 3: dB 『1 r;U7 [5】 钟淼,刘成国.双频微带带通滤波器的设计与仿真[J] .电子元器件应用,2009,11(12):62.64. ZHONG M.LIU CH G Dual—band microstrip band pass 2, 3069I !)97GI 【z / |’ f 3 —1.637_132 ;69 GdHBz Filter design and simulation IJ】.Electronic Compo- | { . { 《 I J J \ f ’ y W V Ⅳ1 (b)射频输出2 GHz的带通滤波图 (b)BPF waveform of 2 GHz RF output 图9带通滤波曲线 Fig.9 Waveform ofBPF 5结论 介绍了一种可应用于射频捷变信号源变频系统 中的带通滤波器的设计方法。该方法利用变容二极 管电容随电压按指数变化的特性,设计出截止频率 可变的高通/低通以及谐振电路,按照多级级联的方 式,构成中心频率可调谐、相对带宽可调谐、可跟踪 射频输出的扫描信号滤波、可使用校准软件进行精 度校准的带通滤波器。该滤波器设计原理简单、结 构灵活、易于扩展,有利于射频捷变信号源的集成: 采用微带线实现,体积小、成本低,具有一定的实用 价值。还可通过使用成形滤波器件等途径,进一步简 化和改进滤波器的结构。 参考文献 BONACHE J Compact microstrip band—pass filters based on semi—lumped resonators[J].Microwaves,An— tennas and Propagation,2007,l(4):932—936. 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GAN B F.WU W CH.Structure and design of modern 0908@sina.com Zhou Yan:female,born in 1985,received the bachelor de. gree from Beijing Institute of Technology in 2007.Now she is a post—graduate student in North University of China.The re— search work is microwave ̄millimeter wave measurement tech— nique and instntment. microwave iflter[M].Beijing:Science Press,1973:20—38. 泰克公司推出三位一体的计时器/频率计/分析仪 全新FCA和MCA系列仪器实现业界领先的频率与时间分辨率 泰克公司日前宣布推出FCA3000与FCA3 100系列 计时器/频率计/分析仪及MCA3000系列微波频率计 /分析仪。这些仪器能与包括示波器和任意波形/函数 析。专用按钮及显示菜单使您能够快速进入常用功能, 进而缩短设置时间。USB和GPIB设备端口支持远程控 制以及测量数据的快速传输。 发生器在内的其它泰克台式仪器无缝集成,在实现更 低拥有成本的同时,提供业界领先的频率和时间分 辨率。 对于要求快速测试的制造应用而言,这些仪器可 以提供每秒250,000次采样的内部存储器数据传输速 度、和高达每秒15,000次采样的USB/GPIB数据传输 速度(block模式),以及每秒高达650次的独立触发测 量。FCA3 1 00系列频率计支持GPIB/USB持续数据流 测量,确保零空载时间,从而实现了动态测量分析系 统。该特性对必须检测每个单周期的机械和医疗测量而 言至关重要。 FCA和MCA系列仪器可用于设计、生产和实验 室校准,以及雷达设备监测与测试等现场应用中的频 率、时间或相位信号参数的测量与分析。这些应用领域 的关键因素包括提供更高精确度的高性能分析工具, 迅速为设计问题找到解决方案并支持快速数据传输。泰 克推出上述产品后,能以更有竞争力的价位提供更卓 越的性能和更丰富的特性。 最新计时器/频率计/分析仪可与泰克公司日前宣 FCA3000和FCA3 100系列提供了最高达20 GHz 的宽频率范围,其中包括了两个300 MHz的标准输入, 和一个可选3GHz或20 GHz的输入通道。上述仪器实 布推出的PWS4000和PWS2000系列电源配套使用,请 参考另一则新闻稿。 泰克公司台式仪器总经理Mike Flaherty表示: “泰克台式仪器系列新增的计时器/频率计以及电 源反映出我们的客户需要进行复杂的测量,而这些 测量通常需要多台测试仪器共同才能完成,也意味 着要处理更多不同前面板和接口的要求。80%设计工 程师都使用泰克品牌的示波器,因此我们意识到应 当推出具有和泰克示波器一样简便易用、操作类似、 质量和性能同样出色的配套仪器。此外,我们已确保 现了每秒l2位数字频率分辨率和单次50 ps(FCA3 Ioo) 或100 ps(FCA3000)的时间分辨率。 MCA3000系列标配两个300 MHz输入通道,和一 个可选27 GHz或40 GHz高频输入通道,两个仪器二合 一可提供与FCA3000系列完全相同的功能。该仪器可 实现每秒12位数字的频率分辨率和lOOps的单次时间 分辨率。MCA系列采用集成功率计,能在任何支持的 频段上通过单一连接实现频率和功耗测量。 为了简化复杂任务,客户可用配套提供的NI LabVlEW SignalExpressM泰克版软件,从基于 T全部台式仪器都能通过通用PC软件实现轻松互连, 高效满足综合测试需求。” 业界领先的性能与特性 Windows的个人电脑上远程控制所支持的泰克仪器。这 为用户提供了自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获 和保存测量结果、并创建报告等功能。 可选的TimeViewTM调制域分析软件,针对基于 Windows个人电脑可对信号特性进行更加深入的分析, 最新计时器/频率计/分析仪具有业界领先的性 能,使设计工程师不仅能够精确测量出频率、周期、时 间、脉冲或相位等超过13种不同的参数,而且还能提 供数据统计、柱状图以及趋势图等分析模式进行全面分 当配合FCA和MCA系列使用时,使客户能够分析频率 随时问的变化。 

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