中心議題：
- 提出螺旋腔螺線中部降壓加載調(diào)諧方法和短波段電調(diào)電抗腔外引入法
- 研制出首款CMOS開關(guān)電容型數(shù)控電調(diào)螺旋濾波器
解決方案：
- 基于快速可調(diào)濾波器的發(fā)信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)新型短波發(fā)信系統(tǒng)的良好解決方案
- 具有納秒級(jí)速率的電調(diào)諧方案應(yīng)是實(shí)現(xiàn)濾波器快速調(diào)諧的較佳選擇
- 采用螺線中部降壓加載調(diào)諧法較合適
- 提出接地型CMOS傳輸門，設(shè)計(jì)出功率級(jí)CMOS開關(guān)電容
近年來微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用，尤其是自適應(yīng)理論的全面應(yīng)用，短波通信克服了以往短波通信中的眾多不足，促成了現(xiàn)代短波通信的發(fā)展，但仍存在缺陷。
首先，現(xiàn)代短波發(fā)信系統(tǒng)中的功率庫(kù)技術(shù)在使通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位、多信道通信的同時(shí)，存在造價(jià)高昂、能耗大、熱隱身性能差等缺陷；在系統(tǒng)頻變時(shí)，以低通濾波器為輸出濾波器，難以對(duì)大范圍快速變頻時(shí)寬頻功放產(chǎn)生的二、三次諧波予以有效濾除，勢(shì)必降低系統(tǒng)的通信質(zhì)量。這在跳擴(kuò)頻通信成為短波通信主流的時(shí)代，已不合時(shí)宜。基于快速可調(diào)濾波器的發(fā)信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)新型短波發(fā)信系統(tǒng)的良好解決方案。
其次，短波電臺(tái)主要服務(wù)于長(zhǎng)距離通信聯(lián)絡(luò)，一部單信道短波電臺(tái)的發(fā)射功率一般大于100W。相應(yīng)的調(diào)諧濾波器功率等級(jí)不可過小。
再次，現(xiàn)代HF跳頻電臺(tái)的跳速正逐步提高，達(dá)到5000h/s以上，傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)諧技術(shù)已無法滿足跳頻通信的需求。電調(diào)諧方式具有靈活多樣、性能可靠、易于控制的特點(diǎn)。具有納秒級(jí)速率的電調(diào)諧方案應(yīng)是實(shí)現(xiàn)濾波器快速調(diào)諧的較佳選擇[1]。
綜上，新型短波發(fā)信系統(tǒng)應(yīng)是功率級(jí)電調(diào)濾波器。盡管該型濾波器至今尚無現(xiàn)成理論和實(shí)例可供借鑒，現(xiàn)實(shí)的需求已將其推到極其重要的位置。
短波功率電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)理論
功率濾波器和可調(diào)濾波器一般問題的解決是本款濾波器實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中，主要領(lǐng)域還涉及電調(diào)濾波器對(duì)電調(diào)電抗部件的要求、電調(diào)電抗部件的實(shí)現(xiàn)方式及引入等問題。
短波功率電調(diào)濾波器總體方案研究
現(xiàn)代短波發(fā)信系統(tǒng)對(duì)功率濾波器的性能要求很高，低插耗、高Q值是對(duì)該型濾波器的基本要求。
集總參數(shù)元件制作的LC濾波器存在很大不足。LC濾波器Q值低，難以滿足短波發(fā)信系統(tǒng)的高性能要求。螺旋濾波器具有高Q值(200～5000)，頻率覆蓋范圍寬(10M～1200MHz)等優(yōu)點(diǎn)，能輕松勝任傳輸100～1kW短波信號(hào)的要求[2]。從Q值與功率容量來看，螺旋諧振腔構(gòu)成的濾波器回路是實(shí)現(xiàn)高性能短波功率濾波器的最佳選擇。
改變螺旋諧振腔腔長(zhǎng)或在腔內(nèi)引入可變電抗，可對(duì)濾波器進(jìn)行調(diào)諧。Haagen和Fraser J曾對(duì)此加以研究[1～2]，提出了利用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)電調(diào)小功率螺旋濾波器。基本原理是參仿電容加載同軸腔工作機(jī)理，在螺線與內(nèi)腔間人為引入可變電抗予以加載，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。但是，對(duì)于功率電調(diào)濾波器，內(nèi)腔體積的限制，使小功率電調(diào)方案在大功率設(shè)計(jì)中受到限制，甚至完全不能采用。為此，考慮了大功率傳輸條件下諸多制約因素后，“螺線中部降壓加載調(diào)諧法”的提出，給出了解決方案。
螺線中部降壓加載調(diào)諧法
螺旋諧振腔原型如圖1。改變腔長(zhǎng)或在腔內(nèi)引入某種形式的可變電抗，可對(duì)諧振腔進(jìn)行調(diào)諧。鑒于電控器件一般存在耐壓?jiǎn)栴}，了解腔中場(chǎng)分布，找出耐壓與調(diào)諧的最佳平衡點(diǎn)十分必要。
由圖2可知，軸向電場(chǎng)能量以sin2βz形式分布，開路端電場(chǎng)能量最為集中。端部加載時(shí)，加載電抗將不得不承受高電壓。例如，Qu=6000、30MHz、3dB帶寬為50kHz的螺旋濾波器，在RL=50Ω，傳輸功率45kW時(shí)，螺線端部電壓將達(dá)75kV。這給電調(diào)器件提出了相當(dāng)高甚至難以達(dá)到的耐壓要求。
鑒于此，“螺線中部降壓加載調(diào)諧”將有效緩解上述問題。事實(shí)上，端部加載正是中部加載的特例。具體方法示意及等效電路見圖3(a)、(b)。
為便于推導(dǎo)，這里將過極限波導(dǎo)的長(zhǎng)度取較大值，忽略終端面對(duì)地電容C0、電場(chǎng)彎曲電容Cr。故等效電路AA′處的諧振條件如式(7)及圖4。
另一方面，該法同時(shí)減小了可調(diào)電抗的最大需求值，意味著在可調(diào)電抗變化范圍恒定情況下，中部加載法將使螺旋諧振腔調(diào)諧范圍得以擴(kuò)展。
電調(diào)電抗的腔外引入
上節(jié)就調(diào)諧機(jī)理及加載電抗器件的引入部位進(jìn)行了探討，本節(jié)在此基礎(chǔ)上確定電抗器件的安裝和接入方式。
傳統(tǒng)的小信號(hào)電調(diào)螺旋諧振腔、濾波器中，加載電容采用腔內(nèi)安裝接入方式。這種方式易實(shí)現(xiàn)，但在高頻情況下，腔內(nèi)強(qiáng)行添加異物，使本來就復(fù)雜的螺旋腔場(chǎng)分布變得更為復(fù)雜，導(dǎo)致工作特性難以把握。同時(shí)，新物體帶來的分布電容將引起中心頻率的偏移，嚴(yán)重時(shí)造成中心頻率超越所需頻段。
HF頻段低于VHF與UHF，該頻段引線及小孔造成的電磁輻射及其它損耗相對(duì)較小。將電調(diào)器件安裝于腔體外部，輔之以盡可能短的屏蔽線作為引出線，在有效減小分布電容與頻偏、改善散熱的同時(shí)，為電調(diào)組件贏取足夠的安裝空間不失為一種可行方案。事實(shí)上，這一看似簡(jiǎn)單的措施在后續(xù)濾波器的智能化電調(diào)的實(shí)現(xiàn)上起到了關(guān)鍵作用。方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。
功率級(jí)CMOS開關(guān)電容
設(shè)計(jì)理論確定之后，功率級(jí)電調(diào)電抗的實(shí)現(xiàn)是后續(xù)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
通過探明CMOS開關(guān)電容難以適應(yīng)高功率信號(hào)傳輸?shù)母矗竟?jié)提出了接地型CMOS傳輸門，進(jìn)而設(shè)計(jì)出功率級(jí)CMOS開關(guān)電容，為功率濾波器及其智能化的成功實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
基本的CMOS傳輸門如圖6(a)所示。當(dāng)傳輸門導(dǎo)通時(shí)，在輸入與輸出之間呈現(xiàn)低電阻，它允許電流向兩個(gè)方向中的任一方向流經(jīng)此門。此時(shí)，輸入線的電壓必須比N溝器件的襯底電壓(VSS)為正，比P溝器件的襯底電壓(VDD)為負(fù)。這導(dǎo)致了傳統(tǒng)的CMOS傳輸門和以此為基礎(chǔ)構(gòu)成的CMOS模擬開關(guān)難以適應(yīng)大信號(hào)的傳輸[4～5]。
對(duì)約束VDD≥Vin≥VSS作深入分析可知，Vin之所以取值有限，根本原因在于其與V柵-襯底的關(guān)聯(lián)。使V柵-襯底獨(dú)立，避免Vin、Vout的影響，反過來將讓Vin輕松擺脫束縛。為此，本節(jié)設(shè)計(jì)了接地形CMOS傳輸門。原理電路如圖6(b)所示，具體的1M～6MHz高頻、功率級(jí)模擬開關(guān)電路見圖7。
表1、2給出了開關(guān)的實(shí)測(cè)指標(biāo)。圖8給出了開關(guān)瞬時(shí)通斷仿真曲線。
短波電調(diào)功率濾波器的實(shí)現(xiàn)
在上述理論、方法指引下，一款1.5M～3MHz短波功率電調(diào)濾波器原型得以實(shí)現(xiàn)。具體技術(shù)指標(biāo)：
調(diào)頻范圍1.5M～3MHz;通帶中心插耗A0≤3dB;25dB帶寬△f25dB≥25kHz; 終端負(fù)載RS=RL=50Ω;傳輸功率P=100W。采用等元型螺旋濾波器設(shè)計(jì)法[6]確定的方腔螺旋腔濾波器腔數(shù)及尺寸見表3，測(cè)試結(jié)果見圖9、10及表4。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于短波功率電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)理論及接地型CMOS傳輸門研制的螺旋濾波器原型成功實(shí)現(xiàn)了1.22M～3.76MHz的倍頻程電調(diào)諧。
本文對(duì)大功率電調(diào)濾波器理論及其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究，通過原型機(jī)的成功實(shí)現(xiàn)予以證實(shí)。有關(guān)工作將為現(xiàn)代短波集成通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供幫助，對(duì)國(guó)防、郵電通信及其他工業(yè)也將產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>
