文/鄭澍鵬 黎維金

1 引言

隨著無線通信用頻設(shè)備的不斷增多，導(dǎo)致電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，可用的頻譜資源有限，反過來要求用頻設(shè)備的抗擾能力需不斷的提升。為提升用頻設(shè)備的抗擾能力，需從其使用的場(chǎng)景進(jìn)行分析，這里主要是針對(duì)用頻設(shè)備直接關(guān)聯(lián)的射頻前端進(jìn)行分析。

表1：調(diào)諧元件電性能對(duì)比

射頻前端主要功能是將接收到的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用：檢測(cè)小信號(hào)的能力直接決定了接收機(jī)的靈敏度；對(duì)大信號(hào)的適應(yīng)能力決定著接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍；良好的線性度可以減少系統(tǒng)中的互調(diào)失真和交調(diào)失真；適應(yīng)跳頻系統(tǒng)抗干擾所需的快速換頻的前端選擇濾波器。因此，研究小型化、寬帶、高選擇性的射頻前端的實(shí)現(xiàn)方法是非常重要的，其中寬帶高選擇性調(diào)諧濾波器實(shí)現(xiàn)尤為關(guān)鍵。

2 調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)

2.1 可變電抗元件比較

采用工作頻率可變的電調(diào)濾波器，可有效提高接收機(jī)性能。電調(diào)濾波器常見可調(diào)電抗元件（調(diào)諧元件）主要有四種，性能對(duì)比表1所示。

圖1：雙調(diào)諧濾波器的電路架構(gòu)

圖2：PIN管調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)

圖3：濾波器傳輸曲線

圖4：微帶線結(jié)構(gòu)PIN管調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)仿真

綜合考慮各調(diào)諧元件的電性能，使用變?nèi)荻O管作為調(diào)諧元件能夠?qū)崿F(xiàn)滿足低功耗和高速調(diào)諧的要求，適用于需小型化、小信號(hào)處理射頻前端；使用PIN二極管為調(diào)諧元件能夠?qū)崿F(xiàn)滿足高速調(diào)諧和高功率容量的要求，適用于大信號(hào)處理射頻前端。

2.2 調(diào)諧濾波器電路架構(gòu)

如圖1所示，電調(diào)諧濾波器的電路架構(gòu)上采用經(jīng)典的雙調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)，具體采用抽頭式電感接入方式來實(shí)現(xiàn)與外部源的阻抗匹配，該方式的特點(diǎn)是有效減小外部接入對(duì)本電路自身電路參數(shù)的影響。在諧振電路上采用的對(duì)稱的LC調(diào)諧方式，諧振電路之間采用電感耦合的方式，在高于諧振頻率時(shí)，諧振器的幅頻曲線有更大的下降速率，選擇性更好。

為了獲得更高的帶外抑制和選擇性，有三種方法：

（1）增加調(diào)諧濾波器的諧振器，增加其級(jí)數(shù)，但是會(huì)導(dǎo)致體積增加；

（2）在電路的輸入輸出處引入對(duì)地諧振器，在通帶的兩邊引入傳輸零點(diǎn)。為了減少諧振器的級(jí)數(shù)兼顧小型化設(shè)計(jì)，可采用傳輸零點(diǎn)的引入來提高選擇性，常用的引入傳輸零點(diǎn)的方法有源負(fù)載耦合、交叉耦合和混合電磁耦合；

（3）調(diào)整諧振器之間的電感耦合，減小通帶帶寬來提高電路的選擇性。

隨著頻率的增加電感元件的Q值下降，由電感元件組成的諧振電路，其損耗將增大。此時(shí)，可采用微帶線諧振電路來代替電感電容組成的諧振電路；另外，高頻板材的使用，將有效的提高諧振電路的Q值，降低帶內(nèi)插損，同時(shí)也減少板材分布參數(shù)對(duì)濾波器的影響。

2.3 小型化設(shè)計(jì)

受用頻設(shè)備的體積限制，電調(diào)諧濾波器需要做到盡可能的小，這就需要對(duì)電調(diào)諧濾波器進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。在小型化方面基于LTCC技術(shù)相比與其他的集成技術(shù)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）LTCC 技術(shù)使用的陶瓷材料高頻特性好，Q 值高，損耗小，可以實(shí)現(xiàn)高速傳輸；

（2）LTCC 基板內(nèi)可以集成無源元器件，大大的減少了表面貼裝的元件數(shù)量，提高了集成和封裝的密度，減小了功能模塊的體積，提高了可靠性；

（3）LTCC 技術(shù)采用平行加工技術(shù)以及高密度的布線工藝，能夠疊加幾十層，層間距和線寬甚至可以做到 0.05mm，可以大大地減小無源元件的尺寸，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)小型化；

（4）LTCC 材料的溫度特性好，耐高溫，熱傳導(dǎo)性能比普通的 PCB 板更加優(yōu)良，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。

多層LTCC工藝的應(yīng)用和電感的集成，使得濾波器的尺寸得到了有效的優(yōu)化。

2.4 大功率設(shè)計(jì)

如圖2所示，采用PIN管設(shè)計(jì)的電調(diào)諧濾波器（VHF頻段，采用LC調(diào)諧方式）。其傳輸曲線如圖3所示。

從圖3中可知，在VHF頻段，帶內(nèi)插損基本在2.0 dB以內(nèi)，3dB帶寬≤5，偏離中心頻率15%右側(cè)的抑制在27dB以上，左側(cè)在23dB以上，遠(yuǎn)端抑制在60dB以上；帶內(nèi)功率容量大于30dBm。在UHF頻段，采用微帶線電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)如圖4所示。

從圖4可知，在UHF頻段，其帶內(nèi)插損小于2.5dB，3dB帶寬在5以內(nèi)，偏離中心偏離15%處抑制大于25dB，遠(yuǎn)端抑制在60dB以上；帶內(nèi)回波損耗基本上大于16dB，并且，電路的帶內(nèi)功率容量大于30dBm。

對(duì)于需要更大功率容量的電調(diào)諧濾波器，將電路中的PIN管替換成同性能、更大耐壓與電流的即可。

3 結(jié)束語

在無線用頻設(shè)備不斷增多的同時(shí)，對(duì)用頻設(shè)備自身提出了更高要求，需具備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力。本文對(duì)射頻前端的小型化、寬頻段、大功率容量、高選擇性調(diào)諧濾波器進(jìn)行了仿真分析與設(shè)計(jì)，可為無線傳輸?shù)挠妙l設(shè)備在提升抗干擾和小型化方面提供設(shè)計(jì)參考。