CN1697247A - Vhf/uhf电可调谐滤波器 - Google Patents

Vhf/uhf电可调谐滤波器 Download PDF

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Abstract

VHF/UHF电可调谐滤波器，属于通信系统中的滤波器，针对当前电可调谐滤波器的不足，提高频率调谐精度和控制定位准确度；本发明由滤波器主体和驱动与控制两部分组成，滤波器主体为含有可变电容器的多级腔体，腔体为M个并置，每个腔体内均容有数量为N的定片和动片，动片固定在主轴上，主轴穿越M个腔体，M、N为自然数；驱动与控制部分包括电机驱动电路、步进电机、光电编码器和主控板；主控板上具有CPU和存储器，CPU判断并分析接收到的数据，在存储器中查询此时待调谐到的频率所对应的可变电容器角度值，同时读取光电编码器的角度值进行对比，控制步进电机的转动；用于无线通讯系统；有效解决了频率调谐精度和控制定位。

Description

VHF/UHF电可调谐滤波器
技术领域
本发明属于通信系统中的滤波器，特别涉及一种电可调谐的滤波器。
背景技术
电可调谐滤波器能提高通信质量，改善通信系统内部设备与其它分系统的电磁兼容工作，且频率连续可调，是大型通信系统中的关键件之一，属军事禁运物品。实现电可调谐滤波器的技术有很多，但无论采用哪种技术都要求调谐范围宽、调谐速度快，而且在调谐频率的范围内滤波器的响应形状要保持不变。
自60年代起，随着军事电子领域的需求不断提高，电可调谐滤波器有了很大的发展。美国K&L公司推出了高性能指标的VHF和UHF电可调谐滤波器(http：//www.klmicrowavechina.com/products/mfa/hbtm.html)，但是该VHF/UHF电可调谐滤波器的矩形系数指标不太理想。TCD/TCK型可调带通滤波器的功率容量不太高(http：//www.telonicberkeley.com/tcs.html)。学术界也对电可调谐滤波器进行了研究，如Torregrosa-Penalva，G.，Lopez-Risueno，G.and Alonso，J.I.，″Asimple method to design wide-band electronically tunable comb line filters，″IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，vol.50，No.1，PP.172-177，Jan.2002提出的宽带可调梳状线滤波器和Fabre，A.，Saaid，O.，Wiest，F.andBoucheron，C.，″High-frequency high-Q BiCMOS current-mode bandpassfilter and mobile communication application，″IEEE Journal of Solid-StateCircuits，vol.33，No.4，pp.614-625，Apr.1998提出的用于移动通信的高频、高品质因素的带通滤波器。专利US2003008617-A1；JP2003023363-A介绍了用于通讯设备，特别是用于窄频率范围无线通讯系统的可调带通滤波器，该滤波器是通过调整加在变容二极管两端的电压来改变电容，从而控制频率。然而在窄带(＜2％)调谐情况下，谐振元件尤其是变容管结电容的温度漂移严重影响频率的调谐。纵上所述，当前VHF/UHF电可调谐滤波器的主要不足在于频率调谐的精度以及控制定位等方面。
发明内容
本发明提供一种VHF/UHF电可调谐滤波器，针对当前VHF/UHF电可调谐滤波器的不足，提高频率调谐精度和控制定位准确度。
本发明的VHF/UHF电可调谐滤波器，由滤波器主体和驱动与控制两部分组成，其特征在于：
(1)滤波器主体为含有可变电容器的多级腔体，包括腔体、定片、动片、主轴，腔体为M个并置，每个腔体内均容有数量为N的定片和数量为N+1的动片，动片固定在主轴上，主轴穿越M个腔体，M、N为自然数；(2)驱动与控制部分包括电机驱动电路、步进电机、光电编码器和主控板；光电编码器和主轴连在一起；电机驱动电路由主控板上的CPU控制、驱动步进电机；步进电机通过齿轮和光电编码器齿轮相噬和，从而连接主轴；主控板上具有CPU和存储器，存储器中存有与频率对应的可变电容器角度值，CPU判断并分析接收到的数据，在存储器中查询此时待调谐到的频率所对应的可变电容器角度值，同时读取光电编码器的角度值进行对比，控制步进电机的转动。
所述的VHF/UHF电可调谐滤波器，其进一步特征在于：所述M＝2～6，所述N＝3～10。
对VHF电可调谐滤波器，当光电编码器初始角度数值为4600时，对应的是调谐频率的低端，可调电容器调谐频率和光电编码器角度数值之间的关系为：
  频率   光电编码器角度值
  108.048MHz   5591
  135.014MHz   7478
  156.879MHz   8968
  168.304MHz   9747
  175.021MHz   10206
对UHF电可调谐滤波器，当光电编码器初始角度数值为3650时，对应的是调谐频率的低端，可调电容器调谐频率和光电编码器角度数值之间的关系为：
  频率   光电编码器角度值
  225.022MHz   3719
  256.492MHz   5058
  310.018MHz   7524
  360.741MHz   10785
  399.976MHz   13571
当步进电机转动带动可调谐滤波器主体的主轴转动时，主轴上的动片发生旋转，使得可变电容器的动片与定片的相对角度发生变化，谐振腔内LC谐振元件的电容C值也跟着变化，这样就使谐振腔的谐振频率发生变化，从而实现了频率的调谐；根据谐振频率与电容的关系，找到对应的旋转角度，使得多个可变电容器的联动调节能满足滤波器中心频率调节的要求，通过光电编码器实时读取可变电容器的旋转角度，微处理器对调谐电容的角度进行定位，然后将角度信号转化成频率信号，实现中心频度精确控制的。体现本发明总体思路的原理框图如图1所示，有效解决了电可调谐滤波器在频率调谐的精度、控制定位等方面的不足。
附图说明
图1本发明的原理框图；
图2本发明的滤波器主体结构示意图；
图3本发明的驱动与控制部分示意图；
图4本发明的调试系统。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的滤波器主体结构如图2所示，包括腔体1、定片2、动片3、主轴4等部分。滤波器主体采用“多级腔体可调谐滤波器”方案，并利用可变电容器来实现频率调谐。其中，腔体1的动片固定在主轴上。当步进电机转动带动可调谐滤波器主体的主轴转动时，主轴上的动片发生旋转，使得可变电容器的动片与定片的相对角度发生变化。当动片与定片的相对角度发生变化时，谐振腔内LC谐振元件的电容C值也跟着变化，这样就使谐振腔的谐振频率发生变化，从而实现了频率的调谐。根据谐振频率与电容的关系，找到对应的旋转角度，使得多个可变电容器的联动调节能满足滤波器中心频率调节的要求。
如图3所示，驱动与控制部分包括电机驱动电路5、步进电机6、光电编码器7和主控板8，其中，高分辨率的光电编码器和腔体主轴连在一起，直接对主轴进行跟踪定位，避开了传动环节引入的一切误差，这就有效地保证了对调谐电容器转角的精确定位，从而保证了可调谐滤波器调谐频率的准确性。利用图4所示的自动测试系统，进行滤波器数据分析拟合，计算出一组频率与主轴转动角度之间的一一对应关系数据，并把数据存储在主控板的存储器中。当电可调谐滤波器接收到外部调谐信号时，主控板上的CPU判断并分析接收到的数据，在存储器中查询此时将要调谐到的频率所对应的可变电容器角度值，CPU控制步进电机的转动，同时读取光电编码器的角度值进行对比，并进行修正，直到转动角度偏差最小为止，此时滤波器就调谐到所要求的中心频率。
本发明的一个实施例为五级腔体，腔体内定片数量为6，动片数量为7的可调谐滤波器，驱动与控制部分可采用高性能的电机驱动电路、步进电机、光电编码器和主控电路板，例如美国IMS公司生产的步进电机驱动器IM483、意大利MAE步进电机、14位分辨率的KRE58型绝对型光电编码器。主控电路板的实现可基于ATMEL公司的C51单片机技术或者TI公司54系列的DSP技术。
用于本发明的调试系统需要网络分析仪和PC机，如图4所示。其中，网络分析仪可采用ADVENTEST公司的R3767CG型或者Agilent公司的E5071B型网络分析仪。利用该调试系统，即可测试出光电编码器初始数值对应的一个频率；PC机发出指令，电机转动，光电编码器从初始数值变为新的数值，网络分析仪可以测出和此数值对应的频率；继续此测试过程，即可测出一组光电编码器数值和调谐频率之间对应关系的数据。对VHF电可调谐滤波器，当光电编码器初始角度数值为4600时，对应的是调谐频率的低端，部分数据如下所示：
VHF电调谐滤波器频率和光电编码器数值之间的对应关系：
  频率   光电编码器角度值
  108.048MHz   5591
  135.014MHz   7478
  156.879MHz   8968
  168.304MHz   9747
  175.021MHz   10206
对UHF电可调谐滤波器，当光电编码器初始角度数值为3650时，对应的是调谐频率的低端，可调电容器调谐频率和光电编码器角度数值之间的关系为：
UHF电调谐滤波器频率和光电编码器数值之间的对应关系：
  频率   光电编码器角度值
  225.022MHz   3719
  256.492MHz   5058
  310.018MHz   7524
  360.741MHz   10785
  399.976MHz   13571
其中心频率范围、插入损耗、矩形系数、驻波系数及带外抑制等各项性能指标均已达到很高的要求。在国外，只有美国几家公司研制了同类型产品(如K&L公司)。在本发明研制前，国内没有单位从事过该方向的研究。下表比较了本发明和其他产品的性能。
           表1VHF/UHF电可调谐滤波器的性能比较
  美国K&L公司   十所引进产品   华中科技大学
频率范围(MHz)   108-174(VHF)225-400(UHF)   108-174(VHF)225-400(UHF)   108-174(VHF)225-400(UHF)
  频率误差   ≤1％(VHF)   ≤0.10％   ≤0.05％
  ≤0.5％(UHF)
  3dB带宽   1％f0   ≤1.2％f0(VHF)≤1.3％f0(UHF)   (1±0.1)％f0
  频率步进   125KHz(VHF)250KHz(VHF)   100KHz   100KHz
  插损   ≤1.6dB(VHF)≤1.8dB(UHF)   ≤1.95dB(VHF)≤1.70dB(UHF)   ≤2.00dB(VHF)≤1.80dB(UHF)
  功率   75W平均值   75W平均值   75W平均值
  矩形系数   Δf30dB/Δf3dB   ≤2.6∶1(VHF)≤2.6∶1(UHF)   ≤2.26∶1(VHF)≤2.21∶1(UHF)   ≤1.95∶1(VHF)≤1.91∶1(UHF)
  Δf60dB/Δf3dB   ≤5.25∶1(VHF)≤5.25∶1(UHF)   ≤4.63∶1(VHF)≤4.57∶1(UHF)   ≤3.87∶1(VHF)≤3.72∶1(UHF)
  驻波比   ≤1.5   ≤1.5   ≤1.5
  调谐时间   ≤10s   ≤10s   ≤10s
  体积(mm3)   500×230×130   480×230×125   465×225×120
  重量(Kg)   10Kg   10Kg   9.2Kg
由上面的参数对比可知，本发明的VHF/UHF电可调谐滤波器在频率调谐的精度以及控制定位方面明显优于同类产品。

Claims (3)

1.一种VHF/UHF电可调谐滤波器，由滤波器主体和驱动与控制两部分组成，其特征在于：
(1)滤波器主体为含有可变电容器的多级腔体，包括腔体、定片、动片、主轴，腔体为M个并置，每个腔体内均含有数量为N的定片和数量为N+1的动片，动片固定在主轴上，主轴穿越M个腔体，M、N为自然数；
(2)驱动与控制部分包括电机驱动电路、步进电机、光电编码器和主控板；光电编码器和主轴连在一起；电机驱动电路由主控板上的CPU控制、驱动步进电机；步进电机通过齿轮和光电编码器齿轮相噬和，从而连接主轴；主控板上具有CPU和存储器，存储器中存有与频率对应的可变电容器角度值，CPU判断并分析接收到的数据，在存储器中查询此时待调谐到的频率所对应的可变电容器角度值，同时读取光电编码器的角度值进行对比，控制步进电机的转动。
2.如权利要求1所述的VHF/UHF电可调谐滤波器，其特征在于：所述M＝2～6，所述N＝3～10。
3.如权利要求1或2所述的VHF/UHF电可调谐滤波器，其特征在于：对VHF电可调谐滤波器，当光电编码器初始角度数值为4600时，对应的是调谐频率的低端，可调电容器调谐频率和光电编码器角度数值之间的关系为：     频率   光电编码器角度值     108.048MHz     5591     135.014MHz     7478     156.879MHz     8968
    168.304MHz     9747     175.021MHz     10206
；
对UHF电可调谐滤波器，当光电编码器初始角度数值为3650时，对应的是调谐频率的低端，可调电容器调谐频率和光电编码器角度数值之间的关系为：     频率   光电编码器角度值     225.022MHz     3719     256.492MHz     5058     310.018MHz     7524     360.741MHz     10785     399.976MHz     13571
。
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