短波接收机跟踪预选滤波器的设计与实现

梅 冬，唐 静，朱 立，徐林山，黎 琴

(1.常州国光数据通信有限公司，江苏 常州213023;2.武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉430070)

随着现代无线通信设备的不断增加，信号愈加拥挤，电磁环境日益复杂。短波接收机的设计越来越向高线性度、大动态范围、高灵敏度和强抗干扰能力的方向发展，而要实现这些目标最重要的是实现性能优良的预选滤波器。国外短波预选滤波器的研究起步较早，理论和工艺较为成熟，已出现了利用半导体工艺结合有源阻抗变换器构造短波预选滤波器的新方法。而国内应用较多的是分段带通滤波器产品，技术差距较大。

笔者设计并实现了一种满足短波接收机高中频前端系统指标要求的预选滤波器。其主要技术指标满足当频率偏离中心频率10%时，衰减不小于38 dB，滤波器增益不低于7 dB［1-3］。

1 短波跟踪预选滤波器设计与性能分析

1.1 短波接收机高中频前端设计方案

短波接收机高中频前端结构如图1 所示。由天线接收到的短波无线电信号进入可控衰减器以防止强接收信号产生的阻塞现象，其输出由跟踪预选滤波器组1 预选频后，经低噪声放大器放大，再由跟踪预选滤波器组2 进一步选频滤除邻道干扰和噪声，所得信号与本振信号混频得到所需的中频信号输出。其中，可控衰减器和低噪声放大器受AGC 电压控制，波段选择控制跟踪预选滤波器组1 和2 的工作频段［4-5］。

图1 短波接收机高中频前端结构图

1.2 预选滤波器特性分析

选频回路是实现预选滤波器性能的关键，笔者设计的互感耦合双调谐回路如图2 所示。图2中RS为信号源IS的内阻，RL为负载电阻。初级线圈L1与次级线圈L2分别置于相互隔离的屏蔽盒中(如虚线框所示)，均可由磁芯微调其电感量，信号源与负载均通过抽头部分接入，初、次级通过L2中一段LM部分耦合，两线圈通过调节电容C1、C2实现双调谐［6］。

图2 互感耦合双调谐回路

1.2.1 单级双调谐回路特性分析

假设图2 中1 -2、2 -3、4 -5、5 -6、6 -7 段线圈匝数分别为n1、n2、n3、n4、n5，且其磁芯性能与绕制结构均一致，则：式中，L0为与结构尺寸及导磁率有关的系数，其耦合系数为：

而初、次级回路的接入系数分别为：

图2 的并联等效电路如图3 所示，其中RP1、RP2分别为初、次级回路的空载并联谐振电阻，则：

图3 并联等效电路

为使耦合谐振回路具有较好的幅频特性，取初、次级回路各参数相同，L=L1=L2，C=C1=C2，R=R1=R2，ω0=ω1=ω2。将图3 的初、次级回路进一步等效为串联谐振的形式，在满足Q≫1 的条件下，则等效变换后的电容、电感值近似不变，而等效串联谐振电阻r=1/(Rω20C2)。

因此，互感耦合谐振回路谐振曲线的相对抑制比为：

当η ＜1 时为欠耦合，耦合回路的双谐振曲线比单回路谐振曲线更尖锐。当η =1 时为临界耦合，由回路通频带定义可知解得代入广义失谐定义式，可得互感耦合双谐振回路的通频带为同理，令α=0.1，可得BW0.1=4.46f0/Q。因此矩形系数Kr=BW0.1/BW0.7≈3.15，远小于单谐振回路的矩形系数9.95。当η ＞1 时为过耦合，耦合回路谐振曲线出现双峰，且随着η 的增大，其谷点下凹越严重，但只要中心凹陷不低于即可满足通频带要求，而矩形系数却会随η 增大而进一步减小。故笔者的设计在临界耦合或弱过耦合时其选频特性远优于单选频回路［7-8］。

1.2.2 两级级联双调谐回路特性

参照图1 的短波接收机高中频前端结构，跟踪预选滤波器1、2，为在其中间插入低噪声放大器的两级级联互感耦合双调谐回路，其通频带内的电压传输系数应为低噪声放大器的放大倍数。由式(10)可知，一级双谐振回路在临界耦合时的谐振曲线为而总谐振曲线应为两级双调谐回路谐振曲线的乘积，即A(ω)/A(ω0)=α2=4/(4+ξ4)，令可算得两级双调谐回路级联后的矩形系数为：

若为弱过耦合，则级联后的矩形系数将会更小。互感耦合双调谐回路通过两级级联后，矩形系数比单级的双调谐回路更为理想，大大提高了滤波器的选频与抗邻道干扰的性能［9-10］。

1.3 短波波段的划分

频率覆盖系数为调谐回路的最高谐振频率与最低谐振频率之比，用kf表示，即：

短波波段频率范围为1.6 ～30 MHz，若全波段仅设置一个滤波器，则频率覆盖系数大于18。而互感耦合双调谐回路是通过调节两回路的电容C1、C2来实现耦合回路的调谐。由f=1/(2π·可知电容覆盖系数kc=Cmax/Cmin=≈324，而要找到覆盖系数如此大的电容是不可能的。同时由易知谐振回路频率高端和低端的回路Q0值会随着调谐电容的变化而产生很大的变化。综合考虑滤波器应具有高选择性、低带内波动的要求，将其频率范围划分为8 个波段，可算出每个波段的频率覆盖系数为：

因此分波段后容易保证良好的电调谐特性。笔者取分段后频率覆盖系数为1.45，并留一定的频率富余量，为此将波段频率范围分别设置为

1.55 ～2.25 MHz、2.25 ～3.26 MHz、3.26 ～4.73 MHz、4.73 ～6.85 MHz、6.85 ～9.94 MHz、9.94 ～14.41 MHz、14.41 ～20.89 MHz 和20.89 ～30.29 MHz。可算得电容覆盖系数kc≈2.1，因此只要选取覆盖系数大于2. 1 的可调节电容，即可满足回路的调谐要求［11］。

2 短波跟踪预选滤波器的设计

笔者提出的分波段短波跟踪预选滤波器的设计框图如图4 所示。

图4 分波段短波跟踪预选滤波器的设计框图

图4 中，天线接收到的1.6 ～30 MHz 短波在信号过强时，先由可控衰减器进行必要的衰减，经波段选择选定相应波段，再由该波段的预选滤波器1选频，然后由增益可控低噪声放大器放大，再经过预选滤波器2 选频，滤除邻道干扰和噪声后送至混频器混频。波段选择由3 ～8 译码器同时控制波段开关组1、2、3 和4 确定接通相应波段。之后由主控制器根据接收频率得到对应的频率控制字，获得相应调谐电压对两互感耦合双调谐回路进行跟踪调谐。可控衰减器和低噪声放大器则分别由主控制器统一经衰减控制和增益控制所控制。

预选滤波器各波段均选用结构完全相同的互感耦合双调谐回路，各波段电容与电感的取值取决于波段的工作频率范围。回路中电感值固定，选用变容二极管由调谐电压改变电容值，实现预选滤波器的跟踪调谐。

波段选通第5 波段(6.85 ～9.94 MHz)的具体电路如图5 所示，由竖虚线划分为通过电容耦合的预选滤波器1、低噪声放大器和预选滤波器2这3 部分组成。采用两支变容管同极性背靠背串接再两组并联，如D51～D54所示，其总电容量仍为单支变容二极管的容值，该结构避免了信号过强使变容二极管正向导通对回路的影响。回路中均采用并联半可调电容C51～C54以便校正频率。谐振回路的输入、输出均通过抽头耦合来满足系统要求的50 Ω阻抗匹配。

以滤波器1 的初级为例，若回路最佳全谐振时的有载QL值约为30，由式(9)可得k=1/Q≈0.03;由式(3)可得n4/(n3+n4+n5)=1/30，即L51的次级耦合线圈LM匝数为次级线圈总匝数的1/30。该波段谐振频率的上、下边界值分别为6.85 MHz和9.94 MHz，若取L51初、次级电感值均为10 μH，经计算可得对应的电容变化范围为26 ～54 pF。图6 为选用的变容二极管BB207，图6(a)为封装图;图6(b)为管脚内部图;一片BB207 包含两支背靠背联接的变容二极管。图6(c)为其内部单支变容二极管电容值随反向电压变化的特性曲线，当反向电压从-1 ～-10 V 变化时，电容的变化范围约为80 ～23 pF，其电容覆盖系数达到3.5。因此，只需选用两片BB207 并接，即可满足要求。

图5 第5 波段跟踪预选滤波器电路图

图6 变容二极管BB207

3 仿真及指标测量

采用Agilent 公司的ADS 软件对所设计的短波跟踪预选滤波器的8 个波段分别进行仿真。以第5 波段(6.85 ～9.94 MHz)为例进行仿真，取靠近上、下边界频率的7.00 MHz 和9.50 MHz 两个频点。当中心频率m1为7.00 MHz 时的仿真结果如图7 所示，当频率m2为6.30 MHz(低于中心频率10%)时，衰减约为71 dB;当频率m3为7.70 MHz(高于中心频率10%)时，衰减约为52 dB。中心频率m1为9.50 MHz 时的仿真结果如图8 所示，当频率m2为8.55 MHz(低于中心频率10%)时，衰减约为70 dB;当频率m3为10.45 MHz(高于中心频率10%)时，衰减约为47 dB。由此可见笔者所讨论的互感耦合双谐振滤波器电路具有较高的选择性及抗邻道干扰能力，可以满足短波数控抗干扰跟踪预选滤波器的指标要求。

图7 中心频率为7.00 MHz 时的仿真结果

图8 中心频率为9.50 MHz 时的仿真结果

对实际设计的短波跟踪预选滤波器电路的8个波段分别选取合适频率点，采用Agilent 公司的S 参数网络分析仪，测试在中心频率点的增益值及偏离调谐频率±10%频率处的衰减值如表1所示。

从表1 可以看出实测数据与仿真结果相差不大，每波段选取一个频率点测试，谐振频率点的增益均不低于7.5 dB，而当偏离谐振频率±10%时，衰减均不小于40 dB。实测数据验证了所设计的预选滤波器具有较好的抗邻道干扰性能，该滤波器可有效地抑制带外强干扰。因此，将其应用于短波接收机，可有效提高抑制带外强干扰的能力。

表1 1.6 ～30 MHz 跟踪预选滤波器的实测数据

4 结论

由互感耦合双调谐回路构成的短波跟踪预选滤波器，通过改变调谐电压来控制变容二极管参数，实现预选跟踪滤波。对实际制作滤波器样品的测试数据初步达到了所要求的性能指标，具有工作频率切换速度快、调谐精度高和体积小等特点。目前已经实际应用于实验室的短波接收机高中频前端电路，满足抗邻道干扰的指标要求。

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