微波電調(diào)帶通濾波器的研究

1、引言

電調(diào)濾波器是寬帶微波接收機(jī)以及電子對(duì)抗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一， 其性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響整機(jī)性能。傳統(tǒng)的YIG調(diào)諧濾波器在某些需要快速(μs級(jí))調(diào)諧的場(chǎng)合是不適用的。因而，以變?nèi)莨転檎{(diào)諧元件的電調(diào)濾波電路得到 了日益廣泛的應(yīng)用。然而在窄帶(2%)調(diào)諧情況下，諧振元件尤其是變?nèi)莨芙Y(jié)電容的溫度漂移嚴(yán)重影響電路性能，因此必須在電路原理以及結(jié)構(gòu)上精心設(shè) 計(jì)并采取必要的補(bǔ)償措施。本文介紹了作者在該領(lǐng)域研究工作中所涉及的三種最典型的電調(diào)濾波電路，給出了一種采用懸置帶線加介質(zhì)補(bǔ)償設(shè)計(jì)的L波段電調(diào)濾波電 路的研制結(jié)果，并提供了該電路的CAD全波分析數(shù)據(jù)。

2、常用的電調(diào)濾波電路

2.1、終端耦合電調(diào)濾波電路^[1]

如圖1所示，該電路是將λ_g/2諧振器分為兩段λ_g/4線，并在中間引入變?nèi)莨苷{(diào)諧以實(shí)現(xiàn)通帶移動(dòng)。為彌補(bǔ)窄帶情況下很大的通帶插損而引入了一段λ_g/2 耦合線，耦合線的一端接負(fù)阻發(fā)生器以抵消諧振器損耗電阻。該電路設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容易，但在微波頻率低端體積太大，而且負(fù)阻補(bǔ)償電路如設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)有 不必要的振蕩產(chǎn)生，加之該電路存在二次寄生通帶，因而限制了其使用范圍僅為較高微波頻段(一般6GHz以上)且?guī)庖种埔蟛桓叩膱?chǎng)合。

圖1　終端耦合電調(diào)濾波電路

2.2、微帶環(huán)行諧振器構(gòu)成的電調(diào)濾波電路　　

圖2為一平均半徑為R的微帶環(huán)行諧振器，滿足關(guān)系2πR=Nλ_g（N=0，1，2···）的頻率將發(fā)生諧振。完整的以及于a點(diǎn)開(kāi)縫后諧振環(huán)上電場(chǎng)分布圖表明，開(kāi)縫后環(huán)上的最低模已并非奇次模而是另一種新模式——半模。于縫隙處引入一變?nèi)莨芗纯蓪?shí)現(xiàn)由(N+1/2)∫₀往下至N∫₀(∫₀為 基頻)的頻率移動(dòng)。為使諧振器體積最小同時(shí)也為了獲得最大可能的通帶移動(dòng)范圍，通常取N=1即3/2模為調(diào)諧模式。此種電路結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成至MIC和 MMIC中。然而，此結(jié)構(gòu)具有偶次寄生模(最低為N=2)，同時(shí)在窄帶情形下饋入及輸出縫隙很大，加上諧振環(huán)Q值較低導(dǎo)致通帶插損非常大，盡管許多有效措 施諸如消除寄生模^[2]、介質(zhì)加載^[3]等技術(shù)的采用使得該電路在性能上得到了一定的改善，但在需要窄帶、寬移動(dòng)范圍電調(diào)濾波的場(chǎng)合仍未得到廣泛應(yīng)用。

圖2　微帶環(huán)行諧振器電場(chǎng)分布

2.3、梳狀結(jié)構(gòu)電調(diào)濾波器

圖3電路把由分布電感與集總電容組成的多個(gè)并聯(lián)諧振器以磁耦合的方式連接起來(lái)達(dá)到濾波目的，并通過(guò)調(diào)整每個(gè)諧振器終端的可變電抗實(shí)現(xiàn)通帶移動(dòng)。理論推導(dǎo)可得出濾波器的絕對(duì)帶寬Δω與中心頻率的關(guān)系^[4]為：

式中以θ₀代替ω₀之后令d(Δω)/dθ₀=0可發(fā)現(xiàn)Δω關(guān)于θ₀有一極大值點(diǎn)。故可設(shè)計(jì)各諧振器使之當(dāng)電調(diào)濾波器工作在中心頻率移動(dòng)范圍的中間值時(shí)滿足d(Δω)/dθ₀=0，這樣即可實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率倍頻程范圍內(nèi)移動(dòng)而其絕對(duì)通帶帶寬變化最小(這在寬移動(dòng)范圍時(shí)是至關(guān)重要的)。另外，通過(guò)內(nèi)部導(dǎo)納電平變換技術(shù)可使該結(jié)構(gòu)電路對(duì)1%～40%帶寬的濾波響應(yīng)均能給出易于實(shí)現(xiàn)的物理尺寸。該結(jié)構(gòu)傳輸線長(zhǎng)度僅為λ_g/8(寄生通帶遠(yuǎn)達(dá)4倍中心頻率)，即便在L波段或UHF波段也能給出較小的電路體積。此方案相比于其他方案，有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在需要高性能、寬移動(dòng)范圍電調(diào)濾波電路的場(chǎng)合得到了非常廣泛的應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)方法較前兩種繁瑣得多。