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电切换带通滤波器组设计
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Electric Switching Band-pass Filter Sets
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■信息产业部电子第十研究所 南 伟
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概述
在现代战争中，电磁信号环境日益密集、复杂，因此军方对通信对抗设备的要求就越来越高。“电切换带通滤波器组”就是针对新一代便携式高频通信对抗设备研制的关键部件。它置于设备接收机前端，可覆盖1-30MHz的频率范围，用以信道分割和抑制不需要的电磁信号。它在很大程度上决定了设备灵敏度、噪声系数、中频和镜频抑制等重要指标的实现。因此设备总体对该部件提出了极高的技术要求。
技术指标
根据“研制合同”规定，电切换带通滤波器组主要技术指标如下。
●工作频率覆盖范围1-30MHz
●频段分割
●阻带防卫度:各路带通滤波器要求矩形系数K=2时，阻带衰减>30dB
f<0.5MHz，阻带衰减>40dB
f>40MHz，阻带衰减>60dB
f>80MHz，阻带衰减>80dB
●部件实现电切换,切换电压为+3V，切换电流≤25mA
●通带插入损耗≤4dB（含切换电路损耗）
●带内波动≤1dB
●阻抗50Ω
●工作温度范围-40℃-+70℃
●体积9×7×1.8cm3
设计方案
众所周知，滤波器的综合理论业已成熟。鉴于此点，设计方案的主要着眼点是以技术指标为依据，选择合适的响应函数以及电路与结构的系统考虑。
1.响应函数的选择
该部件的关键指标是阻带防卫度的要求。就在给定的频率比内达到所需的衰减而言，椭圆函数响应的滤波器明显优于其它类型的滤波器。这种响应的滤波器在有限频率上既有零点又有极点。与chebyshev响应滤波器类似，零、极点在通带内产生等波纹;而与chebyshev响应滤波器不同的是，这种函数响应的滤波器在阻带上有若干传输零点，特别在截止频率附近有传输零点（即衰减峰）。引入这些传输零点后，就大大减小了过渡区域，提高了衰减速率，可以获得理论上最为陡峭的衰减特性曲线。由此可见，对本部件的设计应选择椭圆函数响应为最佳。椭圆函数响应的滤波器其衰减函数可表示为：
A_{dB}=10lg[1+ ^{2}Zn^{2}( )] 式中:
=\sqrt{10^{R_{dB}/10}-1}
RdB为带内波纹
Zn( )是n阶椭圆函数
2.各路带通滤波器的实现
从频段分割的要求来看，各路带通滤波器的相对带宽均在40%至60%以上，属于宽带型滤波器。在实验中发现，这类滤波器若按常规带通滤波器的设计方法直接实现，性能很不理想，特别是高端衰减与理论值相差甚远，不能满足技术条件。为此考虑将各段带通滤波器按通频带要求划分为低通和高通两个单独的滤波器分别处理，最后将低通与高通滤波器级联，得到总带通响应。
各路高、低通滤波器严格按50 阻抗设计，级联调试时尽可能使端接阻抗变化最小，以使每个滤波器级联后保持独立的频响。
3.前置低通滤波器
为了提高各路滤波器高端的阻带衰减，确保设备接收机中频和镜频抑制大于80dB，同时克服椭圆函数响应滤波器阻带内会出现反向突起的情况，考虑在七路带通滤波器之前增加前置高阶数低通滤波器。这个滤波器的截止频率为32MHz，阻带衰减可达80dB以上。
4.七路带通滤波器的并联组合
按照工作条件，七路频段相邻的滤波器要求并联组合运用。一般说来，要实现多路带通滤波器的并联运用，难度很大。因为对滤波器而言，通频带的特性阻抗是电阻性的。而阻频带则是电抗性的。在并联运用时，任一路滤波器的通频带都将是其余各路滤波器的阻频带。这样在任一路滤波器的通频带内将呈现其它各路滤波器的电抗，从而造成旁通作用，使每路滤波器的特性阻抗有所变化，导致与负载的严重不匹配,无法使用。因此在多路滤波器并联运用时，必须设法在任一路滤波器中消除其它各路滤波器的电抗影响。由技术条件可见，该部件无论电指标（如插损等）还是体积都根本不容许采用常规的LC补偿网络或者电阻去耦网络。实验证明，要解决这一问题，最有效的方法是在考虑切换方案时，各路滤波器输入、输出端配置合适的开关电路。由于开关二极管的缓冲隔离作用，可使并联后的相互影响大大减少。尽管邻近信道的开关泄漏还会造成一些旁通作用，但最后再通过统调各路并联端的电抗元件，可使各路滤波器并联组合后达到较理想的工作状态。
5.开关电路
开关电路如图1所示。实测开关损耗<1dB，开关电流≤20mA。
七路滤波器输入、输出端均按上图配置开关电路。通过改变加在各路开关二极管正极上的电压（由设备微机TTL电路提供的+3V高电平），来切换1-7路带通滤波器，达到频段分割的目的。其中Cg1、Cg2、Lg用于抗微机干扰。
6.滤波器参数设计
椭圆函数归一化参数已经由萨尔(Saal)，乌尔布里克(Ulbrich)和兹维里夫等人广泛制表。因此只需针对技术条件综合考虑，确定归一化参数后，利用FSF和Z进行频率和阻抗标度即可。由上述方案可知，“七路电切换带通滤波器组”是由15只独立的高、低通滤波器通过串、并联组合而成。
●前置高阶低通滤波器
基本电路如图2所示。
●各路高、低通滤波器
基本电路如图3所示。
f∞2，f∞4为支路的谐振频率，它对应于传输零点。因为设备要求该部件具有十分陡峭的衰减特性，必须准确地调整每个回路，使之在指定频率谐振，才能尽可能减小过渡区域。因此，这些频率点对调试工作是非常有用的。
电路元件的实现及部件结构
整个部件由15只高、低通滤波器组成。其中L、C元件量很大，电容器多达250余只，70多个品种（含制作时必须选配的电容器），电感器63只，且元件值非常离散。若采用常规方法制作，体积将会是限定体积的3~5倍,这对便携式小型设备而言，是无法容忍的。所以元件的选择、制作以及整个部件的结构必须十分考究，否则在限定体积实现上述方案则成为一句空话。
1.电感器的制作
笨重的电感器乃是LC滤波器的先天不足，要实现设备要求，首要难题就是如何使所制作的电感器体积尽可能小，且温度特性要好。经对比试验，选用国产NXD-40（531.5mm3）和NXD-9（531.5mm3）两种磁环。所选用磁环的温度稳定系数TK
_{i}≤400PPM/℃，通过在磁环上用超声加工适当的气隙，从而有效的提高电感器的温度稳定性，以满足设备对部件的温度要求。开气隙后，磁环的温度系数为：
TK_{ _{e}}={TK_{ _{i}}}\over{1+ _{i} {l_{S}}\over{l_{C}}}
式中:_i为起始磁导率，l_S为气隙宽度，l_C为磁环平均圆径。
可见电感的温度稳定性可以提高{1+ _{i} {l_{S}}\over{l_{C}}}倍。
电感的绕制匝数按下式估算：L=N^{2}{ s}\over{l_{C}}
制成的电感器进行三防处理，并对绕组去应力，最后按要求测量电感量和Q值。
2.电容器的选择
电容器全部选用0805型片式电容器。电容器的温度系数为-150PPM/℃。这样利用电容器负温特性可进一步适当补偿因铁氧体磁芯正温度系数所造成的滤波器频率特性偏差。电容器按设计值进行测量选配。其损耗系数应满足tan
≤5 10-3量级。
3.结构设计
采取下列几点措施:
●元、器件尽可能选择片状无引线元件，且一律不用可调元件。
●整个电路借助表面组装工艺，双层排列。
●基片布线紧凑合理，电路走线尽可能短，减小寄生电容和电感，提高抗干扰性能。尽量减少元件间和各路滤波器之间的串扰，并留有一定的修正和调整元件的余地。
●整个部件金属外壳封装屏蔽,前置高阶低通滤波器应单独屏蔽，以确保整机达到80dB以上的中频和镜频抑制。
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