CN101079604B

CN101079604B - 一种高性能射频线性相位集总参数滤波器及其制造方法

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Publication number: CN101079604B
Application number: CN2007100115058A
Authority: CN
Inventors: 王大寿; 符策; 周爱军; 房少军; 王小妹
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2007-05-28
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-05-28
Also published as: CN101079604A

Abstract

一种高性能射频线性相位集总参数滤波器及其制造方法属于电子科学与技术的技术领域。线性相位滤波器是数据通信设备中的关键性器件，其性能的优劣主要取决于调试的精度。本发明将待调滤波器接到网络分析仪上，网络分析仪与计算机连接。将滤波器的频率响应输入计算机，计算机根据滤波器的电路原理图、用户的技术要求和实测的频率响应，利用故障诊断原理、现代优化方法计算出可更换元件调整后的具体值，一次性更换这些元件即完成调试和制造过程。这个调试过程，不同于现有的人工逐个元件调试，它实现了计算机整体优化调试，即同时考虑用户提出的所有技术指标，同时调整10-20个元件。其既降低滤波器的相位失真，又保持其良好的选择性。

Description

一种高性能射频线性相位集总参数滤波器及其制造方法

技术领域

本发明属于电子科学与技术的技术领域。

背景技术

射频无线通信需要利用滤波器去掉无用信息和干扰。信号通过滤波器将会产生相位偏移，导致误码率的增加。现代无线数据通信的发展方向是高速、可靠和保密，这就要求滤波器特性优异，相位偏移少(近似于线性相位)，从而降低误码率。

要制造出高性能的滤波器，除了设计(目前已经很成熟)之外，更重要的是调试。因为滤波器中线圈的电感量很难准确测试，线圈之间的匝间电容、接点电容和互感等各种因素(统称寄生参数)都会使实际制造的滤波器的特性与设计时预想的特性之间产生很大的差别。因此必须经调试弥补这些寄生参数所产生的影响和误差。目前国际上通用的调试方法是将滤波器接在专用的调试仪器上，一个元件一个元件的依次进行调整。这个方法的问题在于，将第一个元件调整到最佳状态之后，再调第二个元件时，第一个元件就会偏离最佳值。同样在调整后面的元件时，前面的元件也都会偏离最佳值。而更大的问题是，在调整一个元件的时候只能考虑多个技术指标中的一个。由于滤波器的各项技术指标之间往往存在制约，在调整一个元件时，所考虑的这一项技术指标会向好的方向变化，而其余多数指标一般是向坏的方向变化。因此，要想使所有技术指标都达到很高水平几乎是不可能的。

发明内容

本发明的目的就是提供一种同时考虑用户提出的所有技术指标，利用优化原理同时调整全部可更换元件，使滤波器达到用户期望的特性的高性能射频线性相位集总参数滤波器及其制造方法。

本发明的技术解决方案是：

一种高性能射频线性相位集总参数滤波器，其特征在于，由印刷电路板12、电感线圈11、并联电容10、输入/输出引脚6、接地引脚5和滤波器外壳7构成；电路板12的长度为40mm，宽度为10mm；电感线圈11和并联电容10分别焊接在印刷电路板12的反正面、四根接地引脚5焊接在铜外壳7上，输入/输出引脚6焊接在电路板12的底部左右两端，最后滤波器整体用铜外壳7封装。

根据优化原理设计出电路图，如图3，按照设计的元件值绕制电感线圈11和配置并联电容10，用焊锡分别焊接在电路板12的反正面上，并按照图4和图5装配形成待调滤波器。将待调滤波器接到矢量网络分析仪3上，矢量网络分析仪3与计算机2连接，将待调滤波器在200个频率采样点上的频率响应——即所有的技术特性输入计算机2。计算机2根据滤波器的电路原理图和实测的频率响应，利用故障诊断原理计算出滤波器中所有电感、互感、匝间电容、接点电容等元器件和寄生参数的准确值。计算机2将用户提出的所有技术指标转换成相应的频率响应，称之为用户期望响应。并把这个用户期望响应与上述实测的频率响应之差作为目标函数，利用现代优化方法优化所有可更换元件的值，可更换元件一般为电容，使滤波器的频率响应逼近用户响应——即用户提出的各种技术指标。计算机2指出这些可更换元件调整后的具体值。根据计算机2指出的这些具体值，一次性更换这些元件即可。

本发明的原理是这样的，按设计出的电路原理图做出的滤波器所产生的频率响应应该是好的、理想的。但是因为，1)实际电感值与设计值之间有误差，2)线圈中存在匝间电容，3)电感之间存在互感，4)印刷电路板中存在接点电容等寄生参数。因此，实际测试的频率响应与设计时预想的响应之间存在着差别，即产生了故障。计算机根据这个差别、利用故障诊断原理找出引起故障的原因，即上述4项的具体数值，也就是说找到了电路中元件参数和各种寄生参数的真实数值。计算机将这些真实的数值写入电路原理图中，这样的一个电路，我们称之为真实电路，其频率响应就和实测的频率响应一样了。然后计算机利用现代优化原理优化真实电路中的可更换元件，使滤波器的频率响应逼近用户响应。这样，就实现了在调试时，同时考虑用户提出的所有技术指标，同时调整全部可更换元件，使滤波器达到用户期望的特性。

本发明所达到的有益效果是：

用于不同目的的滤波器，其中心频率和带宽是千变万化的，而且有的高性能滤波器用现有的常规技术手段很难实现。本发明所达到的有益效果和益处以700MHz±190MHz线性相位带通滤波器为例，将国内外主流产品的技术指标与本发明制造的滤波器可以达到的技术指标做一比较。

表1：本发明制造的700MHz±190MHz线性相位带通滤波器可达到的

技术指标与国内外主流产品的技术指标的比较

带内驻波比

插入损耗(dB)

1dB带宽群时延波动

1dB带宽相位偏移度

3dB带宽容差与中心频率之比

矩形系数(40dB/1dB)

国外主

<1.3∶1

<2.6dB

<0.7ns

±2.8°

3％

<2.5

流产品

国内主流产品

<1.5∶1

<3dB

<0.8ns

±3°

未说明

<2.5

本发明可达到

<1.2∶1

<2.5dB

<0.5ns

±2.0°

1％

<2.2

由上表可见，用本发明的方法制造的线性相位滤波器在技术指标上可以全面超过国际上同类产品的水平。

附图说明

下面结合附图和具体实时方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的实施方案软件框图。

图2是本发明的滤波器调试和电容测试的硬件系统图。

图3是本发明的滤波器电路原理图。

图4是本发明的滤波器印刷电路板主视图。

图5是本发明的滤波器印刷电路板后视图。

图中，1.阻抗分`析仪，2.计算机，3.矢量网络分析仪，4.滤波器，5.接地引脚，6.输入/输出引脚，7.滤波器外壳，8.敷铜节点，9.敷铜接地，10.并联电容，11.电感线圈，12.印刷电路板。

具体实施方式

中心频率140MHz，带宽为40MHz的带通滤波器的设计制作过程：

1、根据指标设计电路，进入电容管理软件选择电容

滤波器技术要求为：

中心频率：140MHz 带宽：40MHz

插入损耗：<1.2dB 驻波比：<1.3∶1

群时延：<1.5ns 相位偏移：±0.7°

K_40dB/1dB矩形系数：<3.8 带外抑制：>60dB

根据现有的常规最优化设计方法设计出电路(见附图3滤波器电路原理图)。

元件参数为：

C1＝9.7751pF C2＝19.826pF C3＝19.801pF C4＝14.484pF

C5＝7.0591pF C6＝6.8239pF C7＝11.277pF C8＝15.060pF

C9＝23.639pF C10＝30.897pF C11＝8.5530pF C12＝7.9047pF

C13＝4.8700pF L14＝34.676nH L15＝74.628nH L16＝7.4558nH

L17＝45.174nH L18＝45.100nH L19＝76.571nH C`20＝0.4pF

C`21＝0.4pF C`22＝0.8pF

其中C`20～C`22是估计的线圈匝间电容和接点电容，C1～C13中也包括这些寄生参数的估计值(线圈匝间电容和接点电容的估计值均为0.4pF)，从C1～C13中减去它们则是需要安装的电容值。这些电容值进入电容管理系统，选择电容。

2、由电容管理软件经电容库选取相应的电容。

这个过程是这样的，事前由框图中的电容管理软件操纵滤波器调试和电容测试的硬件系统测量一批常用电容，2,000个。并将这些电容放入一个有编号的网格中，每一个电容的容值和编号进入计算机(2)，形成一个电容的数据文件。这样就建立了一个电容库和电容管理系统。

当上述设计作出时，电容管理系统首先在电容数据文件中选择C1。一般是将2,000个电容每两个并联，这样就产生了2,000,000种并联方式，将这2,000,000个并联的电容值与设计值进行比较，找出误差最小的一组并联电容，由计算机(2)给出这两个电容的编号，例如是896和1231，这两个电容并联后的值与设计值之间的误差控制在0.2％以下。人工要做的只是把这两个电容拿出即可。用同样方法可以找出，C2～C13。

3、进入工艺制造，得到待调的滤波器。

滤波器的结构(见图4滤波器结构图)。电路板(12)的正面焊上选定的两两并联的C1～C13，电路板(12)的反面焊接电感线圈(11)。这些电感线圈(11)是按照设计值绕制的。当然，这些线圈的电感量与设计值之间存在着较大的误差，每个线圈之间也存在着互感，这些不利因素将由调试过程进行弥补。

4、将待调的滤波器(4)接到调试的硬件系统上，(见图2滤波器测试和电容测试的硬件系统)。

5、计算机(2)操纵矢量网络分析仪(3)将60MHz～220MHz中的200个频率采样点的频率响应输入计算机(2)，然后应用上述的故障诊断原理将L14～L19、M23～M27和C`20、C`21和C`22的真实值计算出来，如下表

L14＝39.937nH L15＝67.752nH L16＝75.052nH L17＝45.900nH

L18＝46.987nH L19＝72.276nH M23＝1.5643nH M24＝-2.0837nH

M25＝1.8746nH M26＝-1.7645nH M27＝2.2365nH C`20＝0.46758pF

C`21＝0.39867pF C`22＝0.98787pF

这就是说找到了待调滤波器电路中元件参数和各种寄生参数的真实数值，即找到了上述所说的真实电路。计算机(2)分析出这个真实电路的频率响应，该响应就和待调滤波器实测的频率响应一样了，它一般不是一个理想的响应。将上述用户提出的各项技术指标转换成用户响应(即理想的频率响应)，把13个电容值的应调整量设为设计变量，利用上述优化方法优化它们，使滤波器(4)的实际响应逼近用户响应。这样，就实现了同时考虑用户的所有技术要求，同时优化(调整)滤波器中所有可更换元件的过程。

将原C1～C13的值加上应调整量所得结果如下：

C1＝11.009pF C2＝20.610pF C3＝19.180pF C4＝13.361pF

C5＝6.3654pF C6＝5.9027pF C7＝14.076pF C8＝17.429pF

C9＝20.552pF C10＝25.274pF C11＝10,055pF C12＝8.1650pF

C13＝4.8271pF

从新的C1～C13中减去上述的线圈匝间电容和接点电容的估计值，就得到了需要更换的电容值。由于优化的是这13个电容的调整值，所以得到的需要更换的电容值已考虑了线圈匝间电容和接点电容的实际值。

6、利用电容管理软件、电容库和上述配对选择电容的方法选择这些需要更换的电容。

7、进入工艺制造，更换原有的13个电容，得到最终的滤波器。

调试后测试的结果如下：

中心频率：140MHz 带宽·40MHz

插入损耗：<1.1dB 驻波比：<1.2∶1

群时延：<1.3ns 相位偏移：±0.5°

K_40dB/1dB矩形系数：<3.6 带外抑制：>65dB

完全满足用户的要求。对于制造大批量产品，只需调整一个样品，其余严格按样品制造即可。

Claims

1.一种高性能射频线性相位集总参数滤波器的制造方法，其特征在于，根据优化原理设计出电路图，按照设计的元件值绕制电感线圈(11)和配置并联电容(10)，将电感线圈(11)、并联电容(10)、输入/输出引脚(6)焊接在印刷电路板(12)上，接地引脚(5)焊接在外壳上，形成待调滤波器，将待调滤波器接到矢量网络分析仪(3)上，矢量网络分析仪(3)与计算机(2)连接，将待调滤波器的频率响应输入计算机(2)；计算机(2)根据滤波器的电路原理图和实测的频率响应，利用故障诊断原理计算出滤波器中所有电感元件和寄生参数的准确值，其中寄生参数为：互感、匝间电容和接点电容；计算机(2)将用户提出的所有技术指标转换成相应的频率响应，称之为用户期望响应；并把这个用户期望响应与上述实测的频率响应之差作为目标函数，利用现代优化方法优化所有可更换元件的值，可更换元件为电容，使滤波器的频率响应逼近用户响应——即用户提出的各种技术指标；计算机(2)指出这些可更换元件调整后的具体值；根据计算机(2)指出的这些具体值，一次性更换这些元件即完成制造过程。