《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型功率電調(diào)螺旋濾波器的研究與實(shí)現(xiàn)

2008-05-30
作者:趙 磊1, 袁 斌1, 梁昌洪

  摘 要: 在短波功率電調(diào)諧振腔" title="諧振腔">諧振腔工作機(jī)理、電調(diào)電抗實(shí)現(xiàn)及接入方式、電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)方案研究的基礎(chǔ)上,提出了螺旋腔螺線中部降壓加載" title="加載">加載調(diào)諧方法和短波段電調(diào)電抗腔外引入法,結(jié)合全新接地型CMOS開(kāi)關(guān)門(mén)及功率級(jí)" title="功率級(jí)">功率級(jí)CMOS開(kāi)關(guān)電容" title="開(kāi)關(guān)電容">開(kāi)關(guān)電容,研制出首款CMOS開(kāi)關(guān)電容型數(shù)控電調(diào)螺旋濾波器。實(shí)驗(yàn)證明,原型機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了短波段功率濾波器的大速率倍頻程電調(diào)諧。
  關(guān)鍵詞: 短波通信 螺旋濾波器 COMS開(kāi)關(guān)電容 電調(diào)諧


  近年來(lái)微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用,尤其是自適應(yīng)理論的全面應(yīng)用,短波通信克服了以往短波通信中的眾多不足,促成了現(xiàn)代短波通信的發(fā)展,但仍存在缺陷。
  首先,現(xiàn)代短波發(fā)信系統(tǒng)" title="發(fā)信系統(tǒng)">發(fā)信系統(tǒng)中的功率庫(kù)技術(shù)在使通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位、多信道通信的同時(shí),存在造價(jià)高昂、能耗大、熱隱身性能差等缺陷;在系統(tǒng)頻變時(shí),以低通濾波器為輸出濾波器,難以對(duì)大范圍快速變頻時(shí)寬頻功放產(chǎn)生的二、三次諧波予以有效濾除,勢(shì)必降低系統(tǒng)的通信質(zhì)量。這在跳擴(kuò)頻通信成為短波通信主流的時(shí)代,已不合時(shí)宜?;诳焖倏烧{(diào)濾波器的發(fā)信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)新型短波發(fā)信系統(tǒng)的良好解決方案。
  其次,短波電臺(tái)主要服務(wù)于長(zhǎng)距離通信聯(lián)絡(luò),一部單信道短波電臺(tái)的發(fā)射功率一般大于100W。相應(yīng)的調(diào)諧濾波器功率等級(jí)不可過(guò)小。
  再次,現(xiàn)代HF跳頻電臺(tái)的跳速正逐步提高,達(dá)到5000h/s以上,傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)諧技術(shù)已無(wú)法滿足跳頻通信的需求。電調(diào)諧方式具有靈活多樣、性能可靠、易于控制的特點(diǎn)。具有納秒級(jí)速率的電調(diào)諧方案應(yīng)是實(shí)現(xiàn)濾波器快速調(diào)諧的較佳選擇[1]。
  綜上,新型短波發(fā)信系統(tǒng)應(yīng)是功率級(jí)電調(diào)濾波器。盡管該型濾波器至今尚無(wú)現(xiàn)成理論和實(shí)例可供借鑒,現(xiàn)實(shí)的需求已將其推到極其重要的位置。
1 短波功率電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)理論
  功率濾波器和可調(diào)濾波器一般問(wèn)題的解決是本款濾波器實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要領(lǐng)域還涉及電調(diào)濾波器對(duì)電調(diào)電抗部件的要求、電調(diào)電抗部件的實(shí)現(xiàn)方式及引入等問(wèn)題。
1.1短波功率電調(diào)濾波器總體方案研究
  現(xiàn)代短波發(fā)信系統(tǒng)對(duì)功率濾波器的性能要求很高,低插耗、高Q值是對(duì)該型濾波器的基本要求。
  集總參數(shù)元件制作的LC濾波器存在很大不足。LC濾波器Q值低,難以滿足短波發(fā)信系統(tǒng)的高性能要求。螺旋濾波器具有高Q值(200~5000),頻率覆蓋范圍寬(10M~1200MHz)等優(yōu)點(diǎn),能輕松勝任傳輸100~1kW短波信號(hào)的要求[2]。從Q值與功率容量來(lái)看,螺旋諧振腔構(gòu)成的濾波器回路是實(shí)現(xiàn)高性能短波功率濾波器的最佳選擇。
  改變螺旋諧振腔腔長(zhǎng)或在腔內(nèi)引入可變電抗,可對(duì)濾波器進(jìn)行調(diào)諧。Haagen和Fraser J曾對(duì)此加以研究[1~2],提出了利用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)電調(diào)小功率螺旋濾波器?;驹硎菂⒎码娙菁虞d同軸腔工作機(jī)理,在螺線與內(nèi)腔間人為引入可變電抗予以加載,實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。但是,對(duì)于功率電調(diào)濾波器,內(nèi)腔體積的限制,使小功率電調(diào)方案在大功率設(shè)計(jì)中受到限制,甚至完全不能采用。為此,考慮了大功率傳輸條件下諸多制約因素后,“螺線中部降壓加載調(diào)諧法”的提出,給出了解決方案。
1.2 螺線中部降壓加載調(diào)諧法
  螺旋諧振腔原型如圖1。改變腔長(zhǎng)或在腔內(nèi)引入某種形式的可變電抗,可對(duì)諧振腔進(jìn)行調(diào)諧。鑒于電控器件一般存在耐壓?jiǎn)栴},了解腔中場(chǎng)分布,找出耐壓與調(diào)諧的最佳平衡點(diǎn)十分必要。

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  由圖2可知,軸向電場(chǎng)能量以sin2βz形式分布,開(kāi)路端電場(chǎng)能量最為集中。端部加載時(shí),加載電抗將不得不承受高電壓。例如,Qu=6000、30MHz、3dB帶寬為50kHz的螺旋濾波器,在RL=50Ω,傳輸功率45kW時(shí),螺線端部電壓將達(dá)75kV。這給電調(diào)器件提出了相當(dāng)高甚至難以達(dá)到的耐壓要求。
  鑒于此,“螺線中部降壓加載調(diào)諧”將有效緩解上述問(wèn)題。事實(shí)上,端部加載正是中部加載的特例。具體方法示意及等效電路見(jiàn)圖3(a)、(b)。
  為便于推導(dǎo),這里將過(guò)極限波導(dǎo)的長(zhǎng)度取較大值,忽略終端面對(duì)地電容C0、電場(chǎng)彎曲電容Cr。故等效電路AA′處的諧振條件如式(7)及圖4。


  另一方面,該法同時(shí)減小了可調(diào)電抗的最大需求值,意味著在可調(diào)電抗變化范圍恒定情況下,中部加載法將使螺旋諧振腔調(diào)諧范圍得以擴(kuò)展。


1.3 電調(diào)電抗的腔外引入
  上節(jié)就調(diào)諧機(jī)理及加載電抗器件的引入部位進(jìn)行了探討,本節(jié)在此基礎(chǔ)上確定電抗器件的安裝和接入方式。
  傳統(tǒng)的小信號(hào)電調(diào)螺旋諧振腔、濾波器中,加載電容采用腔內(nèi)安裝接入方式。這種方式易實(shí)現(xiàn),但在高頻情況下,腔內(nèi)強(qiáng)行添加異物,使本來(lái)就復(fù)雜的螺旋腔場(chǎng)分布變得更為復(fù)雜,導(dǎo)致工作特性難以把握。同時(shí),新物體帶來(lái)的分布電容將引起中心頻率的偏移,嚴(yán)重時(shí)造成中心頻率超越所需頻段。
  HF頻段低于VHF與UHF,該頻段引線及小孔造成的電磁輻射及其它損耗相對(duì)較小。將電調(diào)器件安裝于腔體外部,輔之以盡可能短的屏蔽線作為引出線,在有效減小分布電容與頻偏、改善散熱的同時(shí),為電調(diào)組件贏取足夠的安裝空間不失為一種可行方案。事實(shí)上,這一看似簡(jiǎn)單的措施在后續(xù)濾波器的智能化電調(diào)的實(shí)現(xiàn)上起到了關(guān)鍵作用。方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。


2 功率級(jí)CMOS開(kāi)關(guān)電容
  設(shè)計(jì)理論確定之后,功率級(jí)電調(diào)電抗的實(shí)現(xiàn)是后續(xù)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
  通過(guò)探明CMOS開(kāi)關(guān)電容難以適應(yīng)高功率信號(hào)傳輸?shù)母?,本?jié)提出了接地型CMOS傳輸門(mén),進(jìn)而設(shè)計(jì)出功率級(jí)CMOS開(kāi)關(guān)電容,為功率濾波器及其智能化的成功實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
  基本的CMOS傳輸門(mén)如圖6(a)所示。當(dāng)傳輸門(mén)導(dǎo)通時(shí),在輸入與輸出之間呈現(xiàn)低電阻,它允許電流向兩個(gè)方向中的任一方向流經(jīng)此門(mén)。此時(shí),輸入線的電壓必須比N溝器件的襯底電壓(VSS)為正,比P溝器件的襯底電壓(VDD)為負(fù)。這導(dǎo)致了傳統(tǒng)的CMOS傳輸門(mén)和以此為基礎(chǔ)構(gòu)成的CMOS模擬開(kāi)關(guān)難以適應(yīng)大信號(hào)的傳輸[4~5]。
  對(duì)約束VDD≥Vin≥VSS作深入分析可知,Vin之所以取值有限,根本原因在于其與V柵-襯底的關(guān)聯(lián)。使V柵-襯底獨(dú)立,避免Vin、Vout的影響,反過(guò)來(lái)將讓Vin輕松擺脫束縛。為此,本節(jié)設(shè)計(jì)了接地形CMOS傳輸門(mén)。原理電路如圖6(b)所示,具體的1M~6MHz高頻、功率級(jí)模擬開(kāi)關(guān)電路見(jiàn)圖7。

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  表1、2給出了開(kāi)關(guān)的實(shí)測(cè)指標(biāo)。圖8給出了開(kāi)關(guān)瞬時(shí)通斷仿真曲線。


3 短波電調(diào)功率濾波器的實(shí)現(xiàn)
  在上述理論、方法指引下,一款1.5M~3MHz短波功率電調(diào)濾波器原型得以實(shí)現(xiàn)。具體技術(shù)指標(biāo):
  調(diào)頻范圍1.5M~3MHz;通帶中心插耗A0≤3dB;25dB帶寬△f25dB≥25kHz; 終端負(fù)載RS=RL=50Ω;傳輸功率P=100W。采用等元型螺旋濾波器設(shè)計(jì)法[6]確定的方腔螺旋腔濾波器腔數(shù)及尺寸見(jiàn)表3,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9、10及表4。


  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于短波功率電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)理論及接地型CMOS傳輸門(mén)研制的螺旋濾波器原型成功實(shí)現(xiàn)了1.22M~3.76MHz的倍頻程電調(diào)諧。
  本文對(duì)大功率電調(diào)濾波器理論及其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究,通過(guò)原型機(jī)的成功實(shí)現(xiàn)予以證實(shí)。有關(guān)工作將為現(xiàn)代短波集成通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供幫助,對(duì)國(guó)防、郵電通信及其他工業(yè)也將產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊憽?BR>參考文獻(xiàn)
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