微波電調帶通濾波器的研究

1、引言

電調濾波器是寬帶微波接收機以及電子對抗系統中的關(guān)鍵部件之一， 其性能指標的優(yōu)劣直接影響整機性能。傳統的YIG調諧濾波器在某些需要快速(μs級)調諧的場(chǎng)合是不適用的。因而，以變容管為調諧元件的電調濾波電路得到 了日益廣泛的應用。然而在窄帶(2%)調諧情況下，諧振元件尤其是變容管結電容的溫度漂移嚴重影響電路性能，因此必須在電路原理以及結構上精心設 計并采取必要的補償措施。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濾波電路，給出了一種采用懸置帶線(xiàn)加介質(zhì)補償設計的L波段電調濾波電 路的研制結果，并提供了該電路的CAD全波分析數據。

2、常用的電調濾波電路

2.1、終端耦合電調濾波電路^[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(xiàn)，并在中間引入變容管調諧以實(shí)現通帶移動(dòng)。為彌補窄帶情況下很大的通帶插損而引入了一段λ_g/2 耦合線(xiàn)，耦合線(xiàn)的一端接負阻發(fā)生器以抵消諧振器損耗電阻。該電路設計方法簡(jiǎn)單，結構實(shí)現容易，但在微波頻率低端體積太大，而且負阻補償電路如設計不當會(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)且帶外抑制要求不高的場(chǎng)合。

圖1　終端耦合電調濾波電路

2.2、微帶環(huán)行諧振器構成的電調濾波電路　　

圖2為一平均半徑為R的微帶環(huán)行諧振器，滿(mǎn)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。于縫隙處引入一變容管即可實(shí)現由(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模為調諧模式。此種電路結構緊湊，便于集成至MIC和 MMIC中。然而，此結構具有偶次寄生模(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)范圍電調濾波的場(chǎng)合仍未得到廣泛應用。

圖2　微帶環(huán)行諧振器電場(chǎng)分布

2.3、梳狀結構電調濾波器

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)達到濾波目的，并通過(guò)調整每個(gè)諧振器終端的可變電抗實(shí)現通帶移動(dòng)。理論推導可得出濾波器的絕對帶寬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Δω關(guān)于θ₀有一極大值點(diǎn)。故可設計各諧振器使之當電調濾波器工作在中心頻率移動(dòng)范圍的中間值時(shí)滿(mǎn)足d(Δω)/dθ₀=0，這樣即可實(shí)現濾波器中心頻率倍頻程范圍內移動(dòng)而其絕對通帶帶寬變化最小(這在寬移動(dòng)范圍時(shí)是至關(guān)重要的)。另外，通過(guò)內部導納電平變換技術(shù)可使該結構電路對1%～40%帶寬的濾波響應均能給出易于實(shí)現的物理尺寸。該結構傳輸線(xiàn)長(cháng)度僅為λ_g/8(寄生通帶遠達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)范圍電調濾波電路的場(chǎng)合得到了非常廣泛的應用，但其設計方法較前兩種繁瑣得多。