電調(diào)濾波器自動校頻技術(shù)

傳統(tǒng)的電調(diào)濾波器一般采用步進(jìn)電機(jī)帶動濾波器調(diào)諧桿，通過調(diào)諧桿的長度變化來實(shí)現(xiàn)頻率變化，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖數(shù)與濾波器的頻率一一對應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波器的頻率調(diào)諧功能。由于電調(diào)濾波器是一種機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，隨著腔體、傳動、回零、調(diào)諧桿以及溫度等的變化，脈沖數(shù)與頻率對應(yīng)關(guān)系變差，導(dǎo)致通信裝備使用故障甚至癱瘓。從電調(diào)濾波器的工作原理出發(fā)，提出了一套電調(diào)濾波器自動校頻程序，在通信設(shè)備中運(yùn)行該專用程序，即可實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波器的頻率校準(zhǔn)與記憶，從而徹底解決電調(diào)濾波器的頻率偏移問題。

電調(diào)濾波器組成

以微波腔體電調(diào)濾波器為例，電調(diào)濾波器由腔體濾波器、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動電路和傳動裝置等部分組成。

電調(diào)濾波器調(diào)諧原理

根據(jù)工作頻段、功率容量以及電調(diào)濾波器的實(shí)現(xiàn)難易程度，腔體選擇 λ/4 同軸腔結(jié)構(gòu)，工作頻率隨著內(nèi)導(dǎo)體長度的增加，頻率由高到低逐漸變化。

內(nèi)導(dǎo)體的長度與頻率成單調(diào)一一對應(yīng)關(guān)系，通過改變內(nèi)導(dǎo)體的長度就可以改變?yōu)V波器工作頻率。

電調(diào)濾波器自動校頻

為了能夠在更高頻率上正常使用電調(diào)濾波器，提出了一套自動校頻方法，該方法不再依賴脈沖數(shù)與頻率的對應(yīng)表格，而是通過現(xiàn)場測試電調(diào)濾波器的通帶特性，將實(shí)時測試的通帶特性與實(shí)時脈沖數(shù)一一對應(yīng)，通過分析脈沖數(shù)在通帶內(nèi)的分布情況，實(shí)時驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)到達(dá)濾波器的通帶范圍，實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波器的自動校頻。

1、 在 TDD 設(shè)備中的自動校頻技術(shù)：

TDD 設(shè)備采用時分雙工方式，射頻前端采用電調(diào)濾波器，當(dāng)需要進(jìn)行自動校頻時，設(shè)備監(jiān)控執(zhí)行自動校頻。

預(yù)置發(fā)頻率到指定頻率，判斷頻率是否改變，若改變，則將發(fā)信機(jī)改為該頻率單載波波形，功率放大器置于最小輸出電平，設(shè)備設(shè)為射頻自環(huán)狀態(tài)，天線口接匹配負(fù)載，實(shí)時檢測接收電平，確定預(yù)設(shè)電平門限L( 典型值) 。

如果是首次開機(jī)，則驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)向歸零方向調(diào)諧，在此過程中，如果出現(xiàn)超過預(yù)設(shè)電平門限L值，則從該時刻開始計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，直至再次出現(xiàn)電平門限L，停止計(jì)數(shù)。將計(jì)數(shù)N 除以 2，反方向驅(qū)動電機(jī)N /2 脈沖，濾波器調(diào)諧完成； 如果只出現(xiàn)一次電平門限 L 值，則從歸零點(diǎn)反方向連續(xù)發(fā)送脈沖信號，出現(xiàn)2 次 L 電平，按照以上算法對準(zhǔn)。

如果監(jiān)控記憶有上次頻率值，則計(jì)算頻率差Δ( 新頻率 － 舊頻率) ，當(dāng) Δ 為負(fù)，則向歸零方向驅(qū)動電機(jī)； 當(dāng) Δ 為正，則向相反方向驅(qū)動電機(jī)，在此過程中，如果出現(xiàn)超過預(yù)設(shè)電平門限L 值，則從該時刻開始計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，直至再次出現(xiàn)電平門限，停止計(jì)數(shù)。將計(jì)數(shù)N 除以 2，反方向驅(qū)動電機(jī)走 N /2 脈沖，濾波器改頻完成。

而后，監(jiān)控按照逆向操作，回復(fù)改頻前各個單元的狀態(tài)，自動校頻完成。

2、 在 FDD 設(shè)備中的自動校頻技術(shù)：

FDD 設(shè)備采用時分雙工方式，有收發(fā)電調(diào)濾波器構(gòu)成雙工器，需要分別進(jìn)行收發(fā)電調(diào)濾波器的自動校頻才能夠完成設(shè)備頻率改變。

與 TDD 設(shè)備相比，發(fā)電調(diào)濾波器自動對準(zhǔn)時的流程基本相似； 而收濾波器則需要借助發(fā)信機(jī)信號作為源，對收濾波器進(jìn)行自動頻率對準(zhǔn)，由于收發(fā)頻率不同，需要采用 FDD 射頻自環(huán)的移頻模塊來實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控執(zhí)行自動校頻程序，其他原理則相同。

高Q變?nèi)莨埽逹電感，快速調(diào)諧、調(diào)諧電壓1-15V（DC），無需其它電源。

輸入電平≤ 10dBm；

調(diào)諧速度≤60uS；

典型2~3倍頻程移動范圍，分段覆蓋30~1000MHz；

3dB相對帶寬5~10%；

矩形系數(shù)≤7；

中心插損2~7 dB；

最大駐波比≤2；

各段插損起伏≤2 dB；

雙調(diào)諧切比雪夫類型響應(yīng)滿足軍用工作環(huán)境要求：-55℃～ 85℃。

最大輸入功率：30dBm；

工作溫度范圍：-55℃~ 85℃；

儲存溫度范圍：-65℃~ 125℃。

整機(jī)使用電調(diào)濾波器/數(shù)控跳頻濾波器后，整機(jī)的動態(tài)范圍，接收機(jī)靈敏度，發(fā)射機(jī)的作用距離都會得到極大的提高。偏離f0的干擾信號被窄帶帶通濾波器濾除，提高了整機(jī)抗干擾能力，濾波器電調(diào)或數(shù)控跳頻速度越快，抗干擾能力越優(yōu)越。

介紹一種利用變?nèi)荻O管設(shè)計(jì)的電調(diào)濾波器。該電調(diào)濾波器是利用變?nèi)荻O管的特性來設(shè)計(jì)的，是一種小型帶通濾波器，具有低插損、高選擇性、體積小的特點(diǎn)。以一個30Mhz～90Mhz的電調(diào)濾波器為例，詳細(xì)介紹了此類濾波器的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)此方案設(shè)計(jì)的電調(diào)濾波器可以達(dá)到令人滿意的指標(biāo)要求，濾波效果好，具有非常良好的實(shí)用價值。

電調(diào)濾波器原理介紹

要利用變?nèi)荻O管來設(shè)計(jì)電調(diào)濾波器，變?nèi)荻O管又稱為可變電抗二極管，是一種利用PN結(jié)反向偏置的勢壘電容構(gòu)成的可控電容的二極管，在高頻調(diào)諧等電路中通常被當(dāng)作可變電容器使用。當(dāng)外加的反偏電壓減小時，變?nèi)荻O管的容值會增加，當(dāng)外加的反偏電壓增大時，變?nèi)荻O管的容值會減小。當(dāng)變?nèi)荻O管串聯(lián)或并聯(lián)一個電容，可以調(diào)整其電容變化的斜率，使之能更適合實(shí)際應(yīng)用。

電調(diào)濾波器實(shí)際就是利用變?nèi)荻O管的上述特性，使輸入電壓增加或減小，改變二極管的容值大小，從而實(shí)現(xiàn)頻率的改變，達(dá)到改變電壓就實(shí)現(xiàn)調(diào)諧頻率的目的。

電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

介紹一種30Mhz～90Mhz的電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例。該濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

(1)調(diào)諧頻率：30Mhz～90Mhz；

(2)通帶插損：≤3dB；

(3)-3dB帶寬：3.3Mhz～9.9Mhz；

(4)矩形系數(shù)：≤7：1；

(5)最大駐波比：2：1；

(6)遠(yuǎn)端抑制(2fo)：≥50dB；

(7)調(diào)諧電壓：0V—15V；

(8)尺寸結(jié)構(gòu)：15mm×12mm×7mm。

在設(shè)計(jì)過程中，選擇合適的變?nèi)荻O管。在調(diào)諧電壓0V～15V要求下 ， 選擇的變?nèi)荻O管要工作在30Mhz～90Mhz。選擇了PHILIPS公司的變?nèi)荻O管BB153來實(shí)現(xiàn)。BB153的耐壓最高可達(dá)32V，斜率為15，當(dāng)它工作頻率在1Mhz時，工作電壓為1V時的容值在39pF，工作電壓為10V時的容值在7.5pF。另外，該電調(diào)濾波器的接入電阻選擇阻值為10kΩ的，接地電容需要考慮濾波器的頻率，選擇0.01nF，耦合電感選擇高Q值的電感來實(shí)現(xiàn)。通常為了達(dá)到更高的調(diào)諧速度，可以將接入電阻減小來實(shí)現(xiàn)。

元器件的選擇會影響濾波器的性能指標(biāo)，會引起通帶插損的變差，阻帶插損也會變差。所以在元器件的選擇上都選取了高Q值的變?nèi)荻O管和電感線圈。

在實(shí)際加電測試中，需要根據(jù)濾波器的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)耦合電感的大小，使其工作在合適的頻率范圍內(nèi)。若在測試中頻率范圍有所不同，可在固定低端頻率和電壓的情況下，調(diào)節(jié)高端頻率時適當(dāng)給變?nèi)荻O管增加1pF～2pF的電容。

另外，該濾波器的尺寸較小，在繪制印制板時要緊湊合理，要充分考慮到各個元器件之間的距離。

本項(xiàng)目主要圍繞認(rèn)知無線電等可重構(gòu)無線系統(tǒng)對射頻電調(diào)濾波器的需求來開展各種類型的電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)理論與方法的研究，探索了各種類型的電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵理論問題和技術(shù)問題，響應(yīng)類型包括：單通帶、雙通帶、帶阻等，此外還研究了電調(diào)濾波器的線性問題。主要研究內(nèi)容和取得的成果包括如下幾個方面。（1）電調(diào)帶阻濾波器：本項(xiàng)目探索了實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器頻率調(diào)試時帶寬恒定的關(guān)鍵要素，提出了磁-電混合耦合方法來控制固定耦合區(qū)間上的耦合強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)恒定帶寬，該成果發(fā)表在IEEE Trans. Industrial Electronics上。此外還研究并設(shè)計(jì)了兩個雙頻帶阻濾波器。（2）單通帶電調(diào)濾波器及其線性問題研究：研究了單通帶濾波器頻率調(diào)諧時的帶寬恒定技術(shù)以及通帶的中心頻率和帶寬都可調(diào)的設(shè)計(jì)技術(shù)，以及平衡式電調(diào)濾波器，并設(shè)計(jì)了三個濾波器實(shí)例，探索了基于變?nèi)莨艿碾娬{(diào)濾波器線性問題。（3）雙通帶電調(diào)濾波器：設(shè)計(jì)了兩個雙頻帶通電調(diào)濾波器，其中的一個通帶或兩個通帶可調(diào)，此外還研究設(shè)計(jì)了三個雙頻濾波器。（4）其他帶通濾波器：研究設(shè)計(jì)了一個三頻，一個四頻濾波器和一個超寬帶濾波器。（5）濾波器與功分電路的集成：探索了濾波器與功分器的融合設(shè)計(jì)方法，將兩個器件設(shè)計(jì)為一個可以減小體積和損耗。（6）其他電磁學(xué)問題研究，包括左右手材料、天線和計(jì)算電磁學(xué)等相關(guān)研究。 在國家自然科學(xué)基金的支持下，本項(xiàng)目研究進(jìn)展順利，圓滿完成研究計(jì)劃。發(fā)表SCI/EI論文共24篇，其中IEEE Trans.論文2篇，IEEE Letters論文4篇，SCI論文12篇，EI論文12篇，申請中國發(fā)明專利4項(xiàng)，其中1項(xiàng)獲授權(quán),兩項(xiàng)授權(quán)實(shí)用新型專利。本項(xiàng)目取得的各項(xiàng)成果形式均超過預(yù)期指標(biāo)，研究得出的結(jié)論與設(shè)計(jì)方法具有良好的理論價值和實(shí)際應(yīng)用價值。 2100433B

快速發(fā)展的無線系統(tǒng)導(dǎo)致頻譜資源緊張，能夠提高頻譜利用率且可以融合不同無線制式的認(rèn)知無線電技術(shù)，是未來無線系統(tǒng)的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。射頻電調(diào)濾波器是認(rèn)知無線電體系中的一個關(guān)鍵射頻器件，是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的射頻電調(diào)濾波器存在著調(diào)諧時性能指標(biāo)不穩(wěn)定、尺寸大等缺點(diǎn)，難以滿足未來的應(yīng)用需求。本項(xiàng)目將在我們前期研究的基礎(chǔ)上對電調(diào)射頻濾波器進(jìn)行系統(tǒng)的研究，深入分析單端（single-ended）與平衡式（balanced）電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)理論，探討各類單通帶電調(diào)濾波器的新型設(shè)計(jì)技術(shù)與方案，探索雙通帶電調(diào)濾波器、電調(diào)帶阻濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)，研究電調(diào)濾波器的諧波抑制技術(shù)，探討降低電調(diào)濾波器噪聲和提高其線性的技術(shù)，設(shè)計(jì)各類電調(diào)濾波器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本項(xiàng)目的實(shí)施可解決目前電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)中面臨的一些主要理論和技術(shù)問題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。