李新霞

(中國電子科技集團公司第13研究所 項目辦，河北 石家莊 050051)

高集成超寬帶開關(guān)濾波組件設(shè)計

李新霞

(中國電子科技集團公司第13研究所 項目辦，河北 石家莊 050051)

摘要針對超寬帶系統(tǒng)諧雜波抑制難、動態(tài)范圍、靈敏度易惡化，提出了在變頻前端采用高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件分段濾波，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度，動態(tài)范圍、選頻、抗干擾等關(guān)鍵指標。設(shè)計了開關(guān)加濾波器組的方案，對8～18 GHz信號分為10段分別濾波的方式，并對濾波器和開關(guān)進行了設(shè)計仿真，實現(xiàn)了小型化、高可靠、電路控制速度快的高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件。實驗結(jié)果表明，該電路噪聲系數(shù)達14 dB，增益12 dB，相位一致性≤±10°，通道隔離度≥45 dB，試驗結(jié)果達到預(yù)期目標。

關(guān)鍵詞超寬帶開關(guān)；濾波器；隔離度；帶外抑制

隨著無線通信中寬帶通信技術(shù)的發(fā)展，超寬帶開關(guān)濾波網(wǎng)絡(luò)廣泛用于頻率合成器、發(fā)射機、接收機，要求選頻信號頻譜低雜散、快速跟蹤頻率變化、超寬帶等性能。高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件具有高的帶外抑制、高的隔離度，有效地提高了選頻信號的頻譜純度[1]；開關(guān)切換時間在ns級，開關(guān)時間快，能快速跟蹤頻率變化；開關(guān)濾波器組由多路開關(guān)濾波器組成，通過開關(guān)組切換到所需的波段，能夠滿足寬帶通信的要求。高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件設(shè)計的合理與否，對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)以及動態(tài)范圍，線性度等其它關(guān)鍵系統(tǒng)指標的質(zhì)量都會有所影響，會導(dǎo)致所處理信號質(zhì)量惡化[2]。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通信終端的小型化也在飛速發(fā)展。高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件電路主要朝著高集成、小型化、低成本、高頻段、高可靠的方向發(fā)展。

1工作原理

1.1PIN開關(guān)

PIN二極管是開關(guān)濾器中開關(guān)電路通常采用的器件，開關(guān)響應(yīng)時間由PIN二極管的響應(yīng)時間決定，二極管的響應(yīng)時間由載流子壽命、正向?qū)娏?、反向電流等參?shù)決定[3-5]。

PIN二極管組成的開關(guān)電路的基本結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式、并聯(lián)式兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)的插入損耗和承受功率主要取決于二極管正向偏置狀態(tài)下的串聯(lián)電阻(RS)，隔離度主要取決于PIN二極管的反向電容(CT)[6]。串聯(lián)結(jié)構(gòu)能提供較小的插入損耗，但在多個PIN管串聯(lián)的情況下，由于二極管的兩極均串聯(lián)在傳輸線上，第一級二極管承受的功率最大，在大功率下可能燒毀。并聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)能夠提供較高的隔離度和較小的插入損耗。二極管一端接傳輸線, 另一端接地, 并聯(lián)結(jié)構(gòu)相比于串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更強的功率承受能力。隔離度和承受功率主要取決于等效串聯(lián)電阻RS，插入損耗主要取決于等效電容CT[7-8]。多個PIN管并聯(lián)的插入損耗、承受功率及隔離度明顯優(yōu)于串聯(lián)的性能[9-10]。但PIN開關(guān)并聯(lián)結(jié)構(gòu)排列間距為λ/4，應(yīng)用頻帶比較窄，一般為f/10 ，而文中所設(shè)計的開關(guān)濾波器組為8～18 GHz，因此采用多級PIN二極管串聯(lián)開關(guān)。

1.2開關(guān)濾波組件

高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件由兩路開關(guān)濾波器組組成，分別為主路和輔路，兩路通道的電路組成完全相同，且結(jié)構(gòu)對稱。高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件主路(輔路)通道由高通濾波器、輸入單刀四擲開關(guān)、陶瓷濾波器組、低通濾波器、限幅器、放大器、開關(guān)驅(qū)動控制電路構(gòu)成，工作原理如圖1所示。

圖1　高集成超寬帶開關(guān)濾波組件主路(輔路)原理框圖

高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件的頻率范圍為8～18 GHz，通過10路開關(guān)陶瓷濾波器來實現(xiàn)。例如當(dāng)選頻信號頻率為8～9 GHz時，控制電路驅(qū)動第1路輸入開關(guān)、第1路輸出開關(guān)設(shè)置為導(dǎo)通，其它的輸入、輸出開關(guān)設(shè)置為截止，第1路開關(guān)及濾波器處于工作狀態(tài)。其它路的濾波器由于相應(yīng)的輸入、輸出開關(guān)截止而處于關(guān)斷狀態(tài)。

2電路優(yōu)化設(shè)計

2.1濾波器的設(shè)計與分析

由高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件的功能可知，濾波器的設(shè)計是產(chǎn)品最重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。由圖2原理框圖可知，高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件中單個通道單元包含13個濾波器：10個帶通濾波器、1個高通濾波器和2個低通濾波器。濾波器的設(shè)計直接決定了開關(guān)濾波單元產(chǎn)品所能實現(xiàn)的指標[11-12]。

為滿足高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件的結(jié)構(gòu)尺寸要求，濾波器全部采用了陶瓷片濾波器，依據(jù)技術(shù)指標要求，對13種濾波器分別進行了設(shè)計。濾波器分段情況及指標要求如表1所示，帶通濾波器仿真拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1　陶瓷濾波器技術(shù)要求

圖2　濾波器仿真拓撲圖

對13種濾波器分別進行了優(yōu)化仿真，其中16.9～18 GHz帶通濾波器仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　16.9～18 GHz帶通濾波器仿真結(jié)果

2.2開關(guān)的設(shè)計與分析

開關(guān)電路是高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件的另一主要電路組成部分，開關(guān)電路首先需實現(xiàn)規(guī)定的控制邏輯功能，在此前提下應(yīng)減小開關(guān)電路的損耗，使高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件得到最優(yōu)的電性能參數(shù)[13-14]。

開關(guān)電路的實現(xiàn)可選用多種開關(guān)電路形式，級聯(lián)開關(guān)的數(shù)量直接決定了開關(guān)電路的損耗[15-16]。

通過綜合考慮開關(guān)損耗及開關(guān)電路形式，經(jīng)過對電路的設(shè)計分析與比較計算，最終設(shè)計了最優(yōu)化的電路形式：六級單刀四擲開關(guān)級聯(lián)。此電路在保證功能實現(xiàn)的前提下，最大程度地簡化了電路，電路形式如圖1所示，開關(guān)仿真拓撲結(jié)構(gòu)如圖4，開關(guān)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4　單刀四擲開關(guān)仿真拓撲圖

圖5　開關(guān)插損和駐波仿真曲線

開關(guān)電路的控制電路也是開關(guān)電路的一部分，開關(guān)的控制電路選用中國電子科技集團公司第13研究所生產(chǎn)的開關(guān)驅(qū)動器NC2047F和NC2048F，與開關(guān)電路能夠良好的匹配。

2.3限幅放大電路的設(shè)計與分析

限幅器選用了中國電科13所研制生產(chǎn)的限幅器單片。該器件損耗小、約在0.5 dB，抗燒毀功率大、連續(xù)波4 W以上，完全滿足技術(shù)協(xié)議的耐功率指標要求。為保證高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件的增益及噪聲指標，放大器的指標也尤為重要，圖6是放大器的增益和噪聲指標的曲線。通過對限幅器和放大器的選取和電路設(shè)計，開關(guān)濾波單元的增益、噪聲及抗燒毀功率指標全部滿足技術(shù)協(xié)議的指標要求。

圖6　放大器的增益及噪聲參數(shù)曲線

3試驗結(jié)果與分析

表2　高集成、超寬帶開關(guān)濾波器組測試結(jié)果

如表2所示，測試結(jié)果符合設(shè)計指標要求，但噪聲系數(shù)、相位一致性指標并不理想。噪聲系數(shù)在輸入端加放大器會影響輸入動態(tài)，因此只有通過改進輸入端濾波器及開關(guān)損耗，改進方法：在不影響濾波器帶內(nèi)波動及帶外抑制指標的前提下，對濾波器損耗進行優(yōu)化仿真，研制低損耗、高抑制濾波器。相位一致性指標主要由電路中兩路元器件的相位一致性決定，貨架型原器件相位一致性較好，決定相位一致性的關(guān)鍵器件為電路中的定制件，改進方法：提高對定制件如高通、帶通、低通濾波器及開關(guān)電路的相位一致性要求。

4結(jié)束語

高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件采用開關(guān)響應(yīng)時間快的PIN二極管、小型化的MEMS濾波器，通過合理的分配濾波器指標及腔體布局，設(shè)計出隔離度高、帶外抑制高、頻帶寬的高集成、超寬帶開關(guān)濾波組件。實測值基本吻合設(shè)計方案、并驗證了裝配工藝的可行性。在研制過程中，通過增加各路間的屏蔽措施，解決了通道隔離高的難題。開關(guān)電路的頻率范圍較大，合理改變?yōu)V波器的頻率和路數(shù)，便可形成系列化開關(guān)濾波器組產(chǎn)品。

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Design of a High Integration Ultra-wideband Switch Filter Component

LI Xinxia

(Project Office，The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

AbstractThe designed component plays a decisive role in the whole system, including sensitive, dynamic range, frequency selection, Anti-jamming and other key indexs. The importance, constituent, working principle, design difficulties and focus of the switch filter component are analyzed detailed in wireless communication system. An optimized design is made for the key features. The paper designs a miniaturization, high reliability and fast circuit control component, as well as testing and improving the scheme. According to the measurement ,we get results as follows: noise figure is 14dB, gain is 12dB, phase congruency≤±10°,channel isolation≥45dB,which all achieve the expected goals .By combining the theory with the actual experimental data, the thesis analyzes the results of the experiment and proposes the improvement of the existing scheme.

Keywordsultra wide band switch; filter; isolation; sideband rejection

收稿日期:2016-03-02

作者簡介:李新霞(1965-)，女，高級工程師。研究方向：微波小整機設(shè)計制造以及項目管理。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.024

中圖分類號TN713

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-082-04