[摘 要]研究和设计了一种用于跳频通信系统射频前端的数控跳频电调谐滤波器，具有跳频点数多、跳频速度快等优点，并在不同的跳频点都具有良好的电参数指标。介绍了跳频接收机射频前端系统。对各种形式的电调谐滤波器进行性能分析，确定该数控跳频电调谐滤波器设计方案。介绍了该数控跳频电调谐滤波器电路和硬件电路的设计，包括其在ADS中的仿真模型和性能参数。最后对数控跳频电调谐滤波器进行测试，其性能指标完全达到系统设计要求，而且具有很强的实际应用性。

[关键词]跳频；数控电调谐滤波器；双调谐；ADS

Design on a Digitally Tunable Frequency-hopping Filter

SHI Yong-re，CHEN Ji-yue

[Abstract]A digitally electricity tunable filter for frequency-hopping communication system RF front-end，which has advantages Of lots Of hopping pomts，fast tuning rate ａｎｄ excellent electrical characteristics for each hopping point．The frequency-hopping radio frequency receiver front-end system is introduced．Various forms Of electricity tunable filters performance are analyzed，ａｎｄ the digitally electricity tunable filter design is determined．The design Of a digitally tuned filters circuit is proposed，including simulation model ａｎｄ performance parameters in ADS．The design Of hardware circuit is introduced．The digital electricity tunable filter is tested，ａｎｄ the system design requirements are fully reached．The digital electricity tunable filter is pratical．

[Key words]hopping； digitally tuned filter；double-tuned； ADS

跳频技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术。随着微电子与数字信号处理技术的快速发展，它不仅在军事通信中大展身手，较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗的要求，而且在民用通信中也展示出良好的应用前景，而在无线跳频通信系统中使用合适的中心频率可快速跟踪调谐的跳频带通滤波器可明显提高系统的抗干扰能力。滤波器是无线电通信工程中最常用的基本元件，国内外早己进行了大量的详细研究。随着科学的发展和技术的进步，滤波器技术也在不断的发展和进步，它的设计仍然是当今无线电技术的中心问题之一。特别是在当今的信息时代，信息技术产业突飞猛进的今日，电磁波的各个频段都因各种充分的理由被拥挤不堪地占用掉，而要想获得良好的抗干扰或电子对抗的效果，设计性能优良的滤波器已成为一个热点。

电调滤波器技术，既可实现快速调谐，又能达到插入损耗小、隔离度高、性能稳定、体积小的要求，能实现良好的抗干扰或电子对抗的效果。随着各种技术的发展，电调谐滤波器也出现了很多实现方式，如电流型的YIG(忆铁石榴石)电调滤波器，以及电压型的变容管式电调滤波器等。在各种电调谐滤波器的实现方式中，各有其优点和缺点，对它们的优缺点进行综合分析后选择最适合于笔者所设计的跳频接收机射频前端应用的电调谐滤波器的实现方式。

笔者设计的跳频接收机射频前端框图见图1。

 

该电路主要由前端保护电路、跳频预选滤波器、低噪声放大器和自动增益控制电路组成。其中保护电路是为了使接收机射频前端能在现代复杂电磁环境下，在很强的电磁干扰下能继续良好地工作，保护接收机免受强信号环境影响而造成其损坏；而跳频预选滤波器是该模块的核心部件，其功能是为了选出接收机的工作频率信号，滤除其他杂波，提高接收机的选择性、抑制性和抗干扰能力；低噪声放大器实现对接收的微弱信号的不失真放大，提高接收机的灵敏度以及动态范围；AGC电路通过检波器检测与RF信号成正比的信号，并把它整流成DC电压，通过比较器与基准电平比较，然后输入终端，由终端进行控制，以此实现对LNA的增益控制，提高接收机的适应性，稳定性。这是该射频前端设计的一个独到之处。

基于跳频接收机射频前端的特殊性，电调谐滤波器的实现方式一般有以下4种：(1)早期使用的是由多个窄带预选滤波器组成的多个接收机，相互之间通过切换来实现通信。用此方法实现的接收机较为笨重，不利于小型化，功耗也很大，而且通信频率变化的速度很慢。(2)后来人们研制出开关滤波器组，就是利用单刀多掷开关来实现不同中心频率的滤波器变换。这种方法比用多个窄带接收机的方法要有较大进步，使得接收机的前端能得到很好的滤波效果，而且不受频率变换影响，控制方式简单，设计和制造方便，理论上可实现任何频率范围内的切换。而能实现任何频率范围内的切换正是该种方式的最大优势，是现在任何电调谐滤波器、数字滤波器所不能达到，不可替代的。但这种方法要求滤波器组多，结构复杂，小型化比较困难，另一方面在要求切换的频率范围不是特别大的情况下就无法体现出它的优势。(3)随着变容二极管技术的快速发展，利用变容二极管制作的电调谐滤波器开始大量使用。利用此方式设计的接收机射频前端具有比较多的优点：中心频率连续调节，设计简单，调试容易，体积小，成本低。但也存在局限性：由于变容二极管自身的Q值低，且容值的变化范围有限，使滤波器不易达到窄带、低插入损耗等要求，中心频率要在较宽的范围内变化更是不容易达到，并且由于变容二极管的温度特性差，在温度变化时，滤波器很难有好的温度特性。(4)利用PIN二极管开关调节电容阵列中的不同电容网络，来实现电调谐带通滤波器。优点：技术指标高，性能稳定，体积小，便于数字控制。缺点：设计过程复杂且精细，对元器件参数要求比较高回。主要用于发射机功放输出端，频率合成器输出端，以及作为接收机射频前端高放的预选滤波器。

根据研究课题要求，采用逻辑芯片控制高压反偏压PIN二极管开关导通与截止来选取电容阵列中的不同电容网络，实现快速调谐的目的，设计出数控跳频电调谐滤波器。使用此方法可实现电容值在一个较大的范围内变化，即使中心频率在一个较大的范围内变化。与变容二极管相比电容阵的Q值要大得多；和YIG电调滤波器相比，该方法具有体积小，性能稳定，调谐速度快，便于数字控制等优点。

笔者设计的数控跳频电调谐带通滤波器工作于VHF频段范围。电路要求在工作频段内实现小步进跳频，而且在每个跳频点都必须保证较好的电参数指标。表1列出了电路的主要参数指标。

表1 电路的主要参数指标

参数	额定值
工作频段/MHz	VHF
跳频步进/MHz	0.25
跳频速度/(跳·s-1)	<30xl06
3 dB带宽/％	3~10
中心插损/dB	2~6
最大驻波比	2.0:1
阻抗/Ω	50

数控跳频电调谐滤波器在Agilent公司的ADS仿真软件中的连接如图2所示，通过调谐控件对电容C₀₁，C₀₂的容值进行改变，可以得到对选用不同的电容网络的滤波器进行仿真。

数控跳频电调谐滤波器在30，60.5，86.5 MHz的仿真结果如图3—5所示。

从图3-5可看出，中心频率为86.5MHz时滤波器的带宽为3.9MHz，插入损耗为5．352dB。中心频率为60.5MHz时滤波器的带宽为2.6MHz，插入损耗为4.375dB。中心频率为30．0MHz时滤波器的带宽为1.5MHz，插入损耗为5.764dB。从仿真结果中可看出通过滤波器所得的频率响应是不对称的，信号在高于中心频率处的衰减速度要大于在低于中心频率处，这是因为所设计的数控跳频电调谐滤波器是通过电感耦合造成的，如果使用的是电容耦合则得到与仿真结果成镜像关系。由于所设计的电调滤波器是通过改变电容来改变中心频率的，所以系统的品质因数、带宽和插入损耗都会随电容的变化而变化，不可能一直保持一致，但只要滤波器的品质因数Q、带宽BW和插入损耗IL在系统可接受的范围内变化，不影响系统的整体性能即可，根据实际电调滤波器性能的要求，必须使0值在11~15之间改变，BW则在1～4MHz之间变化，IL的变化在4~6dB之间。

根据该滤波器具有工作频率高、跳频速度快、选频性能好、调谐精度较高、体积小等特点。数控跳频电调谐滤波器由数字控制电路和模拟滤波电路组成，输入调谐码通过可编程逻辑器件形成控制码，控制滤波器线性跳频。数控跳频电调谐滤波器中的电容阵列共有8组。这8组二进制电容的通断由控制线控制，总共有256种状态，由于每种谐振组态都有一定带宽，不必全部使用电容阵的256种组态；考虑到低端的3dB带宽较窄，每1 MHz频段选择了4种组态。而根据谐振频率，高端组态有重复，所以最终选取的组态少于256种，频率范围覆盖整个工作频段。数控跳频电调谐滤波器一个单元等效电路如图6所示。

图6中，当接人-2.7V电压时，VD₁-VD₄导通，电容C₄，C₇接人电路；当电路接+60V时，VD₁~VD₄截止，C₄，C₇被悬空，与电路断开。C₅，C₆起隔直作用，防止加入的直流电直接到地；R₃，R₄是限流电阻，防止流经电路的电流过大，损坏电路；R₁，R₂，R₅，R₆用来保证VD₁~VD₄可靠的截止，因此通过高低电平的接人就可控制不同值的电容接人滤波器电路，与电路中的电感产生谐振，从而实现选频，滤波。在设计该电路时，考虑到实际应用的需要，接收机的工作必须高速，高效，高抗干扰，高选择性，这就要求数控跳频电调谐滤波器快速选频，高效滤波，因此实际设计中选择了双调谐回路。双调谐回路优点：滤波效率高，操作灵活，矩形系数较好，理论值为3.15，优于单调谐回路的9.7，且带宽是单调谐回路理论值的1.414倍。

通过样机测试，并与仿真进行比较，在中心频率86.0MHz时滤波器的带宽为4MHz，插入损耗为6.1dB；中心频率为60.5MHz时滤波器的带宽为2.7MHz，插入损耗为4.1dB；中心频率为30.0MHz时滤波器的带宽为1.4MHz，插入损耗为4.8dB。可看出从频率的低端到频率的高端带宽比仿真时的带宽增宽，并且随着频率的升高与仿真的差距增大。滤波器实测结果与仿真结果的带宽和插入损耗在各频率点上出现不同的值，原因之一是通过改变电容值来改变中心频率，另一个原因是在仿真的过程中，把L₃设定为一个固定值，因而在频率的高端出现了过耦合现象，频率的低端出现了欠耦合。实际电路中，L₃是电感，L₁，L₂的寄生电感，其值是在变化的。原因之三是由于仿真中所设定电感的直流电阻值与实际制作出来电感的直流电阻值没有做到完全相同。总的来说，所设计的数控跳频电调谐滤波器的带内插损和带宽都达到了系统的设计要求，较好地实现了选频滤波作用。

在上述设计原理的基础上，已经研制出数控跳频电调谐滤波器的样品。样品电路的实测结果和仿真结果相差不大，从而进一步验证了设计方案。设计的数控跳频电调谐滤波器是以8位并行控制码控制电容阵为基础的双调谐滤波器，实现了高速选频，高效滤波，同时较好地解决了插损和带宽之间的矛盾，使得接收机有更好的选择性。目前，除了军事通信领域的应用，跳频通信也在向民用通信领域发展。数字蜂窝移动通信等新兴的通信方式要求采用能节约频带的技术，解决频带拥挤问题。而跳频通信由于固有的窄带通信方式，可以和现有民用通信兼容，是提高频带利用率的有效途径。因此，数控跳频电调谐滤波器有着广阔的应用前景。随着跳频通信设备向宽频带、高速率、数字化、低功耗的方向发展，数控跳频电调谐滤波器已显示出很好的发展前景。