射频滤波器的仿真和设计
2001-7-19
通信领域一向要求精确的频率控制和频率鉴别。在开发高稳定度的振荡器和高选择性的电子滤波器方面，设计人员做了很多努力。由于石英晶体固有的品质因数和对频率变化高度敏感的特性，许多应用中都采用了石英晶体。
在射频通信系统中广泛采用压电滤波器，因为它们具有非常好的频率选择性。现有的技术使设计人员可以获得60mhz至250mhz的基频。在这一频率范围内，可以采用几个谐振器设计出小巧的滤波器。在双向移动通信以及点对点射频通信、电子导航系统和频率合成器等应用中，晶体滤波器起到更为重要的作用。
晶体滤波器通常是一个带通网络。在分立晶体滤波器中，每一个谐振器是一个独立的器件。而单片滤波器中，谐振器则是通过声学方式耦合在一起的。分立晶体滤波器可分为窄带、中带通滤波器、宽带滤波器和极宽带滤波器。
对于窄带或极宽带滤波器，分立谐振滤波器要比单片滤波器的设计更好。而且，分立晶体滤波器在设计时有更大的灵活性。可以在不采用电感的情况下，利用晶体静态电容设计出窄带晶体滤波器。
电路可以采用梯形结构或桥形结构来实现。两种实现方式的优点和缺点与石英元件的物理特性和电路本身的性能有关。
在本文中，介绍了中心频率为30mhz的分立晶体滤波器的设计，同时给出了与带宽、频率稳定性以及衰减相关的精确参数。本设计选择的是梯形电路，此外，还采用仿真方法对设计进行验证，并给出了滤波器的热性能分析。
滤波器的设计要求如下：中心频率30mhz；3db带宽为±10khz；最大纹波1db；无限衰减频率位于离中心频率12个半带宽的地方；工作温度范围-20℃～+70℃，频率稳定度为±85ppm。
为达到设计要求，选用了梯形滤波器(参见图1），其中晶体工作于基本模式。采用at切割晶体，切割角度为35o15?/font>(相对晶体光轴）。当采用合适的石英晶体时，在-20℃～+70℃的温度范围内，达到±20ppm的稳定度是很容易的。
此处设计中需要特别考虑的是晶体的电容比，即并联与串联电容的比值，要小到200左右才可以。这只有采用at切割方式才能达到。
所选的网络可以提供窄且稳定的带宽，而且这一配置方式轻微的不对称性并没有太大的影响。串联晶体电路的带宽由晶体的串联谐振决定。在此应用中，晶体可制造得与要求比较接近，因此在电路中不需要采用微调电容器。
并联谐振频率产生滤波器期望的峰值衰减。即使由于并联电容的变化而造成所有峰值不精确重合，也不会造成滤波器性能的下降。此外，由于每个晶体都排斥其它晶体的寄生振荡，因此晶体中的寄生振荡对这一配置影响也较小。
此处的结构即具有多节滤波器阻带衰减的优点，还允许采用具有相似阻抗的谐振器。根据梯形滤波器的综合方法得到的数值见表1-2。
接近谐振频率时晶体可以利用串联的电阻r1、电感l1和电容c1来表示，此外还有一个并联电容c0。c1的值可从表1的值计算出来。对工作在30mhz左右的at方式切割的晶体，这些数值是典型的。
从表1和表2可以观察到这一结构是中心对称的。即从任意一端看到的元件具有相同的数值。
在建立样机前，采用仿真程序来判断滤波器的参数是很重要的。有很多程序可以采用，这里我们采用pspice这一仿真工具对滤波器进行分析。
从图2和图3我们可以看到，这一配置电路可以达到要求的整体性能。仔细观察图2中的响应可以看到3db带宽比要求的带宽稍微窄一些。而且，还有点轻微的不对称。对图1中的配置，谐振器等效电路的电容比确定的最大带宽为±15khz。图3示出了无限衰减频率位于离中心频率12个半带宽的地方。
本设计采用的晶体在工作温度范围内的频率稳定度为±80ppm，因此可以实现要求的滤波器性能。然而，当设计要求更为苛刻的石英晶体滤波器时，事先确定滤波器随温度变化的频率是非常重要的。可以采用石英晶体等效电路参数的温度模型进行温度分析。
为确定滤波器的热性能，我们对图1所示的电路进行了参数分析。为此必须包括晶体等效电路参数的热性能。图4示出了滤波器的频率变化，在-20℃～+70℃的工作温度范围内，频率稳定度为±80ppm。为清楚起见，图4中仅示出了滤波器在温度极限(-20℃，+70℃)时的曲线以及在正常温度时的曲线。对于+25℃这一温度，可以观察出中心频率值和相应的带宽。
图5示出了温度在工作范围内变化时，滤波器中心频率的偏移（以ppm表示）。同时，也给出了晶体的热性能。
正如图4中看到的，采用频率稳定度为±85ppm的晶体设计的滤波器，其频率稳定度较晶体差，大约变为±80ppm。
对于其它情况，可观察到类似的热性能。图4给出的是最不利的情况。
本文给出了采用at切割石英晶体谐振器构成的单边带滤波器设计。为满足设计要求，采用了梯形配置。之所以选择这一网络类型是因为可以提供窄且稳定的带宽。
从得到的结果可以看到滤波器的温度稳定性主要由晶体的温度稳定性决定，同时滤波器的温度变化要比晶体大。因此，为得到给定温度稳定性的滤波器，必须选择比滤波器的温度稳定性要求更高的晶体。■（钟灿涛）
