CN104868875B - 一种超短波矩阵式滤波器组 - Google Patents
一种超短波矩阵式滤波器组 Download PDFInfo
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Abstract
矩阵式滤波器组主要由8段高通滤波器组和8段低通滤波器组成,高低通滤波器的分段频率是基于谐波抑制最优化的方式设计确定的。高低通滤波器间通过低插损射频开关连接,由射频主控单元控制开关的通断,可以组合成64种不同高低通截止频率的滤波器,其中带通滤波器36种,带阻滤波器28种。可以用于超短波30~500MHz频段,对射频通带信号有较高幅度、相位平坦度要求的接收机前端,可以有效提高接收机的选择性、动态范围和灵敏度等指标,而且对主信号的幅度、相位线形度影响极小,可为无线通信、电子侦察,数字仪表,导航,电子对抗等多种领域的提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种超短波矩阵式滤波器组,应用于超短波30~500MHz频段。
背景技术
在如今移动通信、军用通信、频谱侦测和主/被动雷达等众多系统共存的时代,电磁环境变的空前拥挤和复杂,空间电磁信号对通信系统的干扰越来越严重,接收系统的抗干扰能力显得非常重要,而接收射频前端滤波系统的优劣决定着接收机选择性、动态范围和灵敏度等关键性能指标。因此射频前端的滤波系统对通信设备的工作性能和质量至关重要,是现代任何一种通信系统中必不可少的部分。
发明内容
本发明提供一种超短波矩阵式滤波器组,应用于超短波30~500MHz频段,通带幅度和相位线性度高,全频段可以无缝平滑过渡,可以有效提高接收机的选择性、动态范围和灵敏度等指标,而且对主信号的幅度、相位线形度影响极小,可为无线通信、电子侦察,数字仪表,导航,电子对抗等多种领域的提供参考。
本发明的技术方案是:一种超短波矩阵式滤波器组,包括四个单刀八掷开关、8个高通滤波器和8个低通滤波器,第一单刀八掷开关的动端为超短波矩阵式滤波器组的输入端,第一单刀八掷开关的八个不动端分别连接8个高通滤波器的输入端,8个高通滤波器的输出端一一对应连接第二单刀八掷开关的八个不动端,第二单刀八掷开关的动端连接第三单刀八掷开关的动端,第三单刀八掷开关的八个不动端分别连接8个低通滤波器的输入端,8个低通滤波器的输出端一一对应连接第四单刀八掷开关的八个不动端,第四单刀八掷开关的动端为超短波矩阵式滤波器组的输出端;所述高通滤波器和低通滤波器的分段频率基于谐波抑制最优化的方式设计确定,通过控制单刀八掷开关的通断,两两组合成64种不同高低通截止频率的滤波器。
进一步的,所述高通滤波器和低通滤波器的分段频率取值计算方法如下:
30×n15=500
f0=30×n0=30×1.20630=30MHz;
f1=30×n1=30×1.20631=36.189≈36MHz;
f2=30×n2=30×1.20632=43.6547907≈44MHz;
f3=30×n3=30×1.20633=52.66077402141≈53MHz;
f4=30×n4=30×1.20634=63.524691702026883≈64MHz;
f5=30×n5=30×1.20635=76.6298356001550289629≈77MHz;
f6=30×n6=30×1.20636=92.43857068446701143794627≈92MHz;
f7=30×n7=30×1.20637=111.508647816672555897594585501≈112MHz;
f8=30×n8=30×1.20638=134.51288186125210417926834848986≈135MHz;
f9=30×n9=30×1.20639=162.26288938922841327145140878331≈162MHz;
f10=30×n10=30×1.206310=195.73772347022623492935183441531≈196MHz;
f11=30×n11=30×1.206311=236.11841582213390719527711785519≈236MHz;
f12=30×n12=30×1.206312=284.82964500624013224966278726872≈285MHz;
f13=30×n13=30×1.206313=343.59000077102747153276822028225≈344MHz;
f14=30×n14=30×1.206314=414.47261793009043890997830412648≈414MHz;
f15=30×n15=30×1.206315=499.97831900906809645710682826777≈500MHz;
即8个高通滤波器的分段频率分别为f0、f2、f4、f6、f8、f10、f12、f14;8个低通滤波器的分段频率分别为f1、f3、f5、f7、f9、f11、f13、f15;通过控制单刀八掷开关的通断,两两组合形成36种带通滤波器和28种带阻滤波器。
进一步的,所述单刀八掷开关为单刀八掷的低插损集成射频开关芯片。集成开关是将多个半导体管集成在一个芯片上,实现了开关的小型化,集成度和可靠性都较高,同时它的开关速度也很快,而且控制电压较低,更利于主控芯片的直接控制。
进一步的,所述高通滤波器和低通滤波器采用椭圆函数型LC高低通滤波器。椭圆函数矩形系数好,过渡带陡峭度高。LC滤波器是比较实用可行的方案,而且30~500MHz频段也是LC滤波器性能比较稳定,指标比较好的的工作频段范围,另外LC滤波器的成本相对较低,虽然滤波器使用数量较多但成本也可以控制的更合理。
进一步的,所述低通滤波器包括4个电感和9个电容;4个电感串联,且串联后的4个电感一端作为低通滤波器的输入端、一端作为低通滤波器的输出端;每个电感上并联一个电容,每两个电感之间节点与地之间连接一个电容,低通滤波器的输入端与地之间连接一个电容,低通滤波器的输出端与地之间连接一个电容。所述高通滤波器包括9个电容和4个电感;5个电容串联,且串联后的5个电容一端作为高通滤波器的输入端、一端作为高通滤波器的输出端;每两个电容之间节点与地之间连接一个由一个电容和一个电感串联组成的电路。因为高Q值的电容比较容易实现,成本也不高,而高Q值的电感购买成本较高,如果自己绕制难度也比较大,因此本发明选用电感较少电容较多的滤波器可以有效降低滤波器的成本和实现难度。
本发明的有益效果是:本发明使用8段高通滤波器和8段低通滤波器组成矩阵式滤波器 组,可以应用于超短波30~500MHz多通道宽带接收机前端,带内幅度、相位线性度较好,带外杂波抑制效果明显(插入损耗≤5.5dB,通带平坦度±0.5dB,输出P1dB点≥20dBm,输入/输出回波损耗-10dB),且30~500MHz射频频段内均能平滑切换,工作频段内无明显幅度凹点。对接收的灵敏度、选择性等指标提升明显。可为无线通信、电子侦察,数字仪表,导航,电子对抗等多种领域的设计提供参考。
附图说明
图1为矩阵式滤波器组结构框图;
图2(a)为7阶滤波器的频响图;
图2(b)为9阶滤波器的频响图;
图3(a)第一种低通滤波器;
图3(b)第二种低通滤波器;
图3(c)第一种高通滤波器;
图3(d)第二种高通滤波器;
图4(a)信号插损频响图;
图4(b)信号隔离度频响图;
图5(a)高通滤波器组频响图;
图5(b)低通滤波器组频响图;
图5(c)高低通组合带通频响图;
图6矩阵式滤波器组接口图。
其中:Insertionloss:输入插损,isolation:隔离度,frequency:频率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
矩阵式滤波器组结构设计
矩阵式滤波器组结构框图如图1所示,主要由8段高通滤波器组和8段低通滤波器组成,高低通滤波器的分段频率是基于谐波抑制最优化的方式设计确定的,具体方法如下面计算公式。高低通滤波器间通过低插损射频开关连接,由射频主控单元控制开关的通断,可以组合成64种不同高低通截止频率的滤波器,其中带通滤波器36种,带阻滤波器28种。
分段频率取值计算方法:
30×n15=500
f0=30×n0=30×1.20630=30MHz;
f1=30×n1=30×1.20631=36.189≈36MHz;
f2=30×n2=30×1.20632=43.6547907≈44MHz;
f3=30×n3=30×1.20633=52.66077402141≈53MHz;
f4=30×n4=30×1.20634=63.524691702026883≈64MHz;
f5=30×n5=30×1.20635=76.6298356001550289629≈77MHz;
f6=30×n6=30×1.20636=92.43857068446701143794627≈92MHz;
f7=30×n7=30×1.20637=111.508647816672555897594585501≈112MHz;
f8=30×n8=30×1.20638=134.51288186125210417926834848986≈135MHz;
f9=30×n9=30×1.20639=162.26288938922841327145140878331≈162MHz;
f10=30×n10=30×1.206310=195.73772347022623492935183441531≈196MHz;
f11=30×n11=30×1.206311=236.11841582213390719527711785519≈236MHz;
f12=30×n12=30×1.206312=284.82964500624013224966278726872≈285MHz;
f13=30×n13=30×1.206313=343.59000077102747153276822028225≈344MHz;
f14=30×n14=30×1.206314=414.47261793009043890997830412648≈414MHz;
f15=30×n15=30×1.206315=499.97831900906809645710682826777≈500MHz。
表1:带通、带阻滤波器表
高低通滤波器设计
滤波器的基本作用是对频率信号进行选择,把需要的频率选出来,并抑制掉不需要的频率。 信号通过滤波器所产生的插损大小,相位的改变以及无用频率的抑制能力,是滤波器设计所关心的主要问题。
滤波器的传输函数类型有巴特沃斯函数、切比雪夫函数、椭圆函数、高斯类函数等,每种函数方式都有其优缺点,目前比较常用的主要是切比雪夫函数和椭圆函数两种类型。切比雪夫函数通带和阻带平坦度较好,阻带抑制度高,但矩形系数一般;椭圆函数矩形系数好,过渡带陡峭度高,但设计和实现难度较大,为了能够实现矩阵滤波器组较好的矩形系数和阻带抑制特性,方案选用椭圆函数结构。
滤波器的结构形式包括LC滤波器、声表滤波器、介质滤波器、晶体滤波器、腔体滤波器、陶瓷滤波器等,除LC滤波器外其它滤波器对工艺和生产设备都有较高的要求,实现的难度也比较大,通常有专业厂家设计生产,选用LC滤波器是比较实用可行的方案,而且30~500MHz频段也是LC滤波器性能比较稳定,指标比较好的的工作频段范围,另外LC滤波器的成本相对较低,虽然滤波器使用数量较多但成本也可以控制的更合理。最终确定方案选用椭圆函数型LC高低通滤波器。
在运用软件仿真工具进行辅助设计时,将7阶和9阶滤波器的频响性能作了些比较见图2(a)和图2(b),发现9阶的过渡带和阻带性能明显优于7阶,而且电路复杂度增加不大。高低通的电路图结构见图3,各有两种方式,都可以实现同样的结果,但是器件类型和数值都有很大区别。通常选用电感较少的图3(a)第一种低通滤波器和图3(d)第二种高通滤波器形式为原理图,因为高Q值的电容比较容易实现,成本也不高,而高Q值的电感购买成本较高,如果自己绕制难度也比较大,因此减少其数量可以有效降低滤波器的成本和实现难度。其中,第一种低通滤波器包括9个电容和4个电感;5个电容串联,且串联后的5个电容一端作为低通滤波器的输入端、一端作为低通滤波器的输出端;每两个电容之间节点与地之间连接一个由一个电容和一个电感串联组成的电路。第二种高通滤波器包括4个电感和9个电容;4个电感串联,且串联后的4个电感一端作为高通滤波器的输入端、一端作为高通滤波器的输出端;每个电感上并联一个电容,每两个电感之间节点与地之间连接一个电容,高通滤波器的输入端与地之间连接一个电容,高通滤波器的输出端与地之间连接一个电容。
经过对每一段高低通滤波器的设计、仿真、优化后,可以得出了所有高低通滤波器的具体参数值,电容可以经过优化设计到标准值,以更方便取材实现,电感的感值不规则需要手动制作,感值较大的电感需要使用0.2mm左右的漆包线均匀绕制在环形磁芯上实现,感值较小的电感可以使用0.4mm~0.6mm漆包线绕制在3mm左右的转头上加工成空心电感,漆包 线的线径会影响到绕制好电感的Q值,因此取用越粗的漆包线电感的Q值越高,滤波器的插损越小。在选择环形磁芯时,由于磁芯材料的磁导率会受到工作频率、温度和时间的影响,因此需要选择磁芯损耗小,温度系统低,并且对时间稳定的磁芯材料。印制板layout设计时需要尽量降低分布参数的影响,特别是分布电容,需要将其纳入滤波器参数一并考虑,做适当的补偿优化。
射频开关电路设计
开关是无线通信系统收发部件中的关键元器件,它广泛应用于射频、微波元件和系统,如相位阵列天线,移相器和滤波器组等。本方案中为了实现8×8矩阵滤波器组的平滑过渡,需要用开关来对高低通滤波器进行的选通切换,具体设计见图1。
常见的开关有继电器开关,PIN开关和集成开关,它们的特点分别如下:
继电器开关是一种机械式的开关,主要由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成,只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流并产生电磁效应,从而带动衔铁的动触点与静触点吸合,实现开关的动作。但由于是机械式开合,它的开关速度比较慢大约1ms左右,不能满足高速切换的的要求。
PIN开关是利用PIN二级管在不同偏置电压的特性来实现的,正向直流偏置时近似短路导通,反向偏置时近似开路。它具有开关速度快和损耗小等特点。
集成开关是将多个半导体管集成在一个芯片上,实现了开关的小型化,集成度和可靠性都较高,同时它的开关速度也很快,而且控制电压较低,更利于主控芯片的直接控制。因此方案选用一种单刀八掷的低插损集成射频开关芯片。
开关的具体性能参数见表2和图4。
表2:开关参数表
参数 | 工作频率 | 最小 | 典型 | 最大 | 单位 |
插损 | DC-2.0GHz | 1. 1 | 1. 5 | dB | |
隔离度 | DC-2.0GHz | 35 | 40 | dB | |
回波损耗 | 0.3-3.0GHz | 15 | 18 | dB | |
1dB压缩点 | 0.5-3.5GHz | 20 | 24 | dBm | |
开关切换时间 | 0.3-3.5GHz | 30 | ns |
矩阵式滤波器组
将每个设计好的滤波器参数代入到矩阵式滤波器组中,可以得到图5频响特性,图中能够发现滤波器组的带内幅度平坦度较好,全频段频率可以通过高低通滤波器的切换,实现无波动平滑过渡。而且全频段都可以保证宽带通信系统中频带宽内有较好的指标性能,对接收信号 影响可以降到最小。
矩阵式滤波器组的对外接口见表3和图6,主要由三部分组成,包含射频接口、控制接口和电源,主控单元通过对控制接口不同电平组合的控制实现对滤波器的切换,控制关系真值表见表4。
表3:矩阵式滤波器组接口表
序号 | 接口定义 | 信号类型 | 信号方向 | 信号电平 | 功能描述 |
1 | RF IN | 射频 | IN | 射频输入 | |
2 | RF OUT | 射频 | OUT | 射频输出 | |
3 | HPF_A | 数字 | IN | TTL | 高通控制 |
4 | HPF_B | 数字 | IN | TTL | 高通控制 |
5 | HPF_C | 数字 | IN | TTL | 高通控制 |
6 | LPF_A | 数字 | IN | TTL | 低通控制 |
7 | LPF_B | 数字 | IN | TTL | 低通控制 |
8 | LPF_C | 数字 | IN | TTL | 低通控制 |
9 | +5V | 电源 | |||
10 | GND | 地 |
表4:矩阵式滤波器组真值表
经过测试后,滤波器组实现的性能指标如下表:
表5:矩阵式滤波器性能指标表
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种超短波矩阵式滤波器组,其特征在于:包括四个单刀八掷开关、8个高通滤波器和8个低通滤波器,第一单刀八掷开关的动端为超短波矩阵式滤波器组的输入端,第一单刀八掷开关的八个不动端分别连接8个高通滤波器的输入端,8个高通滤波器的输出端一一对应连接第二单刀八掷开关的八个不动端,第二单刀八掷开关的动端连接第三单刀八掷开关的动端,第三单刀八掷开关的八个不动端分别连接8个低通滤波器的输入端,8个低通滤波器的输出端一一对应连接第四单刀八掷开关的八个不动端,第四单刀八掷开关的动端为超短波矩阵式滤波器组的输出端;所述高通滤波器和低通滤波器的分段频率基于谐波抑制最优化的方式设计确定,通过控制单刀八掷开关的通断,两两组合成64种不同高低通截止频率的滤波器;
所述高通滤波器和低通滤波器的分段频率取值计算方法如下:
30×n15=500
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>=</mo>
<mroot>
<mfrac>
<mn>500</mn>
<mn>30</mn>
</mfrac>
<mn>15</mn>
</mroot>
<mo>&ap;</mo>
<mn>1.2063</mn>
</mrow>
f0=30×n0=30×1.20630=30MHz;
f1=30×n1=30×1.20631=36.189≈36MHz;
f2=30×n2=30×1.20632=43.6547907≈44MHz;
f3=30×n3=30×1.20633=52.66077402141≈53MHz;
f4=30×n4=30×1.20634=63.524691702026883≈64MHz;
f5=30×n5=30×1.20635=76.6298356001550289629≈77MHz;
f6=30×n6=30×1.20636=92.43857068446701143794627≈92MHz;
f7=30×n7=30×1.20637=111.508647816672555897594585501≈112MHz;
f8=30×n8=30×1.20638=134.51288186125210417926834848986≈135MHz;
f9=30×n9=30×1.20639=162.26288938922841327145140878331≈162MHz;
f10=30×n10=30×1.206310=195.73772347022623492935183441531≈196MHz;
f11=30×n11=30×1.206311=236.11841582213390719527711785519≈236MHz;
f12=30×n12=30×1.206312=284.82964500624013224966278726872≈285MHz;
f13=30×n13=30×1.206313=343.59000077102747153276822028225≈344MHz;
f14=30×n14=30×1.206314=414.47261793009043890997830412648≈414MHz;
f15=30×n15=30×1.206315=499.97831900906809645710682826777≈500MHz;
即8个高通滤波器的分段频率分别为f0、f2、f4、f6、f8、f10、f12、f14;8个低通滤波器的分段频率分别为f1、f3、f5、f7、f9、f11、f13、f15;通过控制单刀八掷开关的通断,两两组合形成36种带通滤波器和28种带阻滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种超短波矩阵式滤波器组,其特征在于:所述单刀八掷开关为单刀八掷的低插损集成射频开关芯片。
3.根据权利要求1所述的一种超短波矩阵式滤波器组,其特征在于:所述高通滤波器和低通滤波器采用椭圆函数型LC高低通滤波器。
4.根据权利要求3所述的一种超短波矩阵式滤波器组,其特征在于:所述低通滤波器包括4个电感和9个电容;4个电感串联,且串联后的4个电感一端作为低通滤波器的输入端、一端作为低通滤波器的输出端;每个电感上并联一个电容,每两个电感之间节点与地之间连接一个电容,低通滤波器的输入端与地之间连接一个电容,低通滤波器的输出端与地之间连接一个电容。
5.根据权利要求3所述的一种超短波矩阵式滤波器组,其特征在于:所述高通滤波器包括9个电容和4个电感;5个电容串联,且串联后的5个电容一端作为高通滤波器的输入端、一端作为高通滤波器的输出端;每两个电容之间节点与地之间连接一个由一个电容和一个电感串联组成的电路。
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