一种高频跳频滤波器

技术领域

本发明涉及跳频滤波器领域，特别涉及一种基于低温共烧陶瓷工艺的VHF和UHF波段跳频滤波器。

背景技术

随着通讯技术高速发展，频谱资源日益紧张，通信电子设备极易受到干扰和压制。跳频滤波器作为研发出的选频滤波组件，在解决频谱紧张的问题上有巨大的优势。在海湾战争后，美国开始开发跳频滤波器，并将其应用于军事通信中，显著提升了无线接收机的灵敏度及对信号干扰的抵抗能力。因为在抗衰落、抗截获及抗干扰等方面上表现得异常优秀，跳频滤波器在单兵作战设备、战术通信、雷达侦察系统、电子战中受到了高度重视。这些优越的性能不仅仅局限在军事通信系统中，也能极大的提升民用通信系统，所以开展跳频滤波器的研究具有重大的经济和社会价值。

通信系统中常用带通滤波器，其只允许有用信号通过，而滤除无用信号，在射频电路中主要用于镜频干扰滤除、抑制噪声，并对振荡器、放大器、倍频和混频电路中的信号进行频率选择。随着半导体技术的发展以及高性能的射频收发机的演进，通信以及雷达、电子战设备等对部件的微型化、宽带化、可移动性和频率捷变能力提出极高的要求，促使包括滤波器在内的射频元器件不断向着微型化和单片集成化方向发展，同时也催生了新型电路制造工艺和制造技术，其性能水平不断提高，体积不断减小。

高频电台通信在军用指挥中具有重要应用，为了提高保密和抗干扰性能，战术电台均具有高速跳频能力，收发机按照相同的跳频图谱进行频率转换，降低了被截获、窃听和被干扰的几率。自二十世纪七十年代，美英两国开始研制跳频电台，八十年代初期跳频电台陆续装备部队，电台每秒跳频次数达到数百次至上千次之多。跳频滤波器是跳频电台中重要的滤波器件，能够根据当前的工作频率指令，实时的调整滤波器的滤波频带,而对其他频带的干扰和寄生信号进行抑制，大大提高射频收发机系统的灵活性和在复杂电磁环境中的适应性。

滤波器是电台中非常重要的元器件，能够有效的滤除杂散、干扰，从而筛选出有用的信号。为了追求战术电台的高性能、高稳定性、更高灵敏度，新一代电台普遍采用跳频通信技术，能够在一个频段内不断的切换工作频点，不仅提高了频谱利用率还具有抗干扰、隐蔽性高等优点。相应的在电台的通信电路内需要选择具有频率覆盖范围大，且具有较强的带外抑制能力的超短波宽带跳频滤波器，以便能够在较强的电磁干扰环境下进行应用。新一代的超短波电台能够通过实时的信道估计，对整个传输链路上信号的质量进行综合分析和评判，利用自身算法避开被阻塞的传输信道和受到干扰的频段，选择合适的频率建立一个完整的信号链路。随着通信技术的高速发展，各类电子产品都朝着更小、更轻的方向发展，因此实现跳频滤波器的小型化具有重要意义。

目前，跳频滤波器(或可调谐滤波器)主要可以分为四类：1)基于电、磁介质参数可调节(主要是铁氧体元件)的控制结构的滤波器；2)基于常规伺服机构调节的滤波器；3)基于半导体调控器件(如二极管、变容二极管或者起开关作用的PIN管、场效应晶体管)的滤波器；和4)基于微机电系统控制元件的滤波器。第一类器件可以承受中等微波功率，微波损耗中等，但磁介质控制器件难以微型化，相应的偏置电路复杂，需要保持静态偏置电流，控制功耗较大，跳频速度慢；第二类可调滤波器可以承受很大微波功率，微波损耗很小，但调节需要复杂的伺服机构，控制功耗和器件体积均较大，跳频速度慢。第三类滤波器可以实现单片集成化，结构紧凑，但由于其中微波需要通过PN结和半导体材料传输，相应产生的微波损耗和非线性会显著影响其通带性能，由于工艺和芯片结构以及尺寸的限制，其承受功率和损耗均较低，其调节和控制电路简单，可高速切换滤波频带通带，并可高度集成化。第四类滤波器是基于微机械开关控制元件的滤波器，具有微波损耗小、多功能、可单片集成等重要优点，适合应用在移动通信、卫星通信等需要便携性、可移动性、高集成度和低功耗的应用领域。

电台所应用的跳频滤波器为基于半导体调控器件的滤波器，可采用集总元器件实现全固态滤波器，其可靠性高、寿命长、频段切换速度快，但由于使用集总元器件，组装和生产工艺复杂，人工参与较多，产品质量难以保证，同时滤波器体积和尺寸难以压缩，严重影响了这种滤波器在高性能电台中的应用。电子产品中有源元件和无源元件的比例约为1:10到1:20之间，无源元件占据了大量的体积。若是能将部分无源元件埋置到基板中，则不仅有利于系统的微小型化、还能提高系统的可靠性。近年来发展起来的低温共烧陶瓷(LTCC)技术，作为无源集成的主流技术，在组件整合上备受关注，其技术原理是将低温烧结陶瓷粉制成生瓷带，利用精密导体浆料印刷等工艺在生瓷带上绘制电路，并通过激光打孔、微孔注浆等工艺连接不同层的电路，可埋多个无源元件，然后经过叠压、烧结，制成无源集成组件或内置无源元件的三维电路基板。用多层LTCC开发的电子产品在解决小型化的问题上具有相当的竞争力。

目前，由于这些基于半导体调控器件的滤波器的电感一般采用导线人工绕制，其制造的一致性较差，因此需要在调试环节人工调整，需频繁调整焊点和抽头位置，这降低了产品的质量和可靠性，同时生产效率不高。另外，绕制电感本身体积和尺寸较大，同时集总元器件具有标准的尺寸，电路布局要求最小的器件间距，这导致跳频滤波器的尺寸很难压缩。

总之，目前基于半导体调控器件的滤波器具有如下缺点：

大量采用电容、电感以及二极管等集总元器件，部分器件需要手工焊接，调试也需要人工参与，为产品批量一致性和产品质量埋下隐患。

采用集总元器件的跳频滤波器尺寸和体积居高不下，难以压缩，对于电台的小型化不利。

发明内容

本发明是针对目前跳频滤波器的上述不足，提供一种高频跳频滤波器，它是一种基于低温共烧陶瓷工艺的跳频滤波器。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种高频跳频滤波器，包括设置在输入端电感抽头和输出端电感抽头之间的谐振器，所述的谐振器包括依次连接的三枚“Y”型电感，任意两枚“Y”型电感之间设置有可调电容接地；所述的可调电容包括由一系列呈二进制的电容组成的电容阵列，每个电容均由独立的开关电路控制通断；所述的“Y”型电感、电容阵列和开关电路中的电感线圈、电阻和电容采用表贴焊接工艺焊接于低温共烧陶瓷基片表面。

进一步的，上述的高频跳频滤波器中：所述的开关电路包括二极管D101、二极管D102、电阻R102、电阻R103以及两个大容量的电容；二极管D102的阴极与二极管D101阳极相连，电阻R102和电阻R103串连地二极管D102的阳极和二极管D101的阴极之间，二极管D101的阴极利用一个大容量电容接地并与控制信号的输入端相连；5V的工作电源与二极管D102的阳极相连，二极管D102的阳极还通过另外一个大容量电容接地；二极管D102的阴极与二极管D101阳极相连的公共端与被控制的电容C10的一端相连。

进一步的，上述的高频跳频滤波器中：所述的陶瓷基片最底层为焊盘层，设置有射频输入输出端口、电源和数字控制接口；第二层为电源层，第三层为地层，第四层为电感沟通连线层。

本发明的跳频滤波器，其电感采用印刷环形金属带实现，电阻采用高阻合金实现，电感和电阻均在陶瓷共烧阶段烧结于陶瓷体内，其工艺一致性极高。跳频滤波器的电容和二极管等器件仍选用集总元器件，这些元器件通过表贴焊接工艺焊接于陶瓷体表面的焊盘上。跳频滤波器的射频输入输出端口以及电源和控制端口所对应的焊盘均布置于陶瓷体的底部，这样可将跳频滤波器作为一个基础元器件焊接于电路母板上。基于共烧陶瓷工艺的跳频滤波器采用共烧和表贴焊接两步，无需人工调试和焊接，其可靠性和批次一致性极高，生产效率极高。跳频滤波器采用10位控制码，能够实现1024个不同波段的滤波波形，不间断的覆盖30～512MHz频段。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1是本发明实施例1跳频滤波器电路模型。

附图2是本发明实施例1电容阵列图。

附图3是本发明实施例1开关电路图。

附图4是本发明实施例1跳频滤波器三维组装图。

附图5是本发明实施例1底层为焊盘层图。

附图6是本发明实施例1电源层结构图。

附图7是本发明实施例1电感沟通层。

附图8是本发明实施例1电感层。

附图9是本发明实施例1表面焊盘层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

高频电台通信在军用指挥中具有重要应用，为了提高保密和抗干扰性能，战术电台均具有高速跳频能力，收发机按照相同的跳频图谱进行频率转换，降低了被截获、窃听和被干扰的几率。自二十世纪七十年代，美英两国开始研制跳频电台，八十年代初期跳频电台陆续装备部队，电台每秒跳频次数达到数百次至上千次之多。跳频滤波器是跳频电台中重要的滤波器件，能够根据当前的工作频率指令，实时的调整滤波器的滤波频带,而对其他频带的干扰和寄生信号进行抑制，大大提高射频收发机系统的灵活性和在复杂电磁环境中的适应性。

滤波器是电台中非常重要的元器件，能够有效的滤除杂散、干扰，从而筛选出有用的信号。为了追求战术电台的高性能、高稳定性、更高灵敏度，新一代电台普遍采用跳频通信技术，能够在一个频段内不断的切换工作频点，不仅提高了频谱利用率还具有抗干扰、隐蔽性高等优点。相应的在电台的通信电路内需要选择具有频率覆盖范围大，且具有较强的带外抑制能力的超短波宽带跳频滤波器，以便能够在较强的电磁干扰环境下进行应用。新一代的超短波电台能够通过实时的信道估计，对整个传输链路上信号的质量进行综合分析和评判，利用自身算法避开被阻塞的传输信道和受到干扰的频段，选择合适的频率建立一个完整的信号链路。随着通信技术的高速发展，各类电子产品都朝着更小、更轻的方向发展，因此实现跳频滤波器的小型化具有重要意义。

若将空间占用较多的电感预埋到电路基板中，将会十分有利于系统的微小型化、还能提高系统的可靠性。低温共烧陶瓷技术能够高效的集成体积较大的无源器件，利用精密导体浆料印刷螺旋线电感等功能电路，并通过激光打孔、微孔注浆等工艺实现孔连接，并可预埋无源元件，最终通过叠压、烧结，制成无源集成组件或内置无源元件的三维电路基板。

本实施例的跳频滤波器电路模型如图1所示，本实施例的跳频滤波器电路包括设置在输入端电感抽头和输出端电感抽头之间的两个谐振器，谐振器包括依次连接的三枚“Y”型电感，任意两枚“Y”型电感之间设置有可调电容接地；可调电容包括由一系列呈二进制的电容组成的电容阵列，每个电容均由独立的开关电路控制通断；“Y”型电感、电容阵列和开关电路中的电感线圈、电阻和电容采用表贴焊接工艺焊接于低温共烧陶瓷基片表面。如图1所示，电感L1、2、3现个电感组成第一“Y”型电感，电感L1的一端接输入端电感抽头，另一端分别与电感L2和电感L3的一端相连，电感L2的另一端接地，电感L3的另一端通过电容阵列形成的第一可变电容C1接地，并与第二“Y”型电感的一端相连，第二“Y”型电感由电感L4、5、6组成，电感L5的这端接地，电感L6的一端接第三“Y”型电感，第二、第三“Y”电感之间采用第二可变电阻C2接地.由于是三个电感连到一起形成”Y”字型，因此就是“Y”型电阻。

本实施例中，输入端采用电感抽头形式实现阻抗匹配，可变电容C1和C2为可调谐电容，通过电容的变化实现各个谐振器特征频率的调节，从而实现滤波器的频率可调。调谐电容的实现方式有多种，为了能够精确的控制滤波器中心频率，本发明采用电容阵列、通过二极管开关实现电容加载数值的变化，如图2所示，电容阵列由一系列呈二进制的电容组成，每个电容均由独立的开关电路控制通断。开关电路如图3所示，开关电路包括二极管D101、二极管D102、电阻R102、电阻R103以及两个大容量的电容；

二极管D102的阴极与二极管D101阳极相连，电阻R102和电阻R103串连地二极管D102的阳极和二极管D101的阴极之间，二极管D101的阴极利用一个大容量电容接地并与控制信号的输入端相连；5V的工作电源与二极管D102的阳极相连，二极管D102的阳极还通过另外一个大容量电容接地；

二极管D102的阴极与二极管D101阳极相连的公共端与被控制的电容C10的一端相连。

具体的，由两只二极管和电阻偏置网络组成，当控制电压为0V时，两只二极管均导通，电容通过两只二极管与地接通，其中隔直电容容值较大，对高频来说等效于直接接地，此时二进制电容接入谐振电路；当控制电压为100V时，二极管反偏，电容未接入电路，因此不影响谐振电路的特征频率。

本实施例中，跳频滤波器中无源元器件均可采用图形印制工艺制作，从而集成于多层电路板中。例如电感可采用螺旋线结构实现，核心处的接头可通过盲埋孔从其他层电路导出。电感的圈数越多，电感值越大，当电感占用面积有限时，可采用多层重复走线，利用盲埋孔实现各层螺旋线的连接。本发明为了保证电感的品质因数和电感感值的准确性和稳定性，仅采用单层布线。电阻可薄膜化，因此也可采用图案印刷方式制作，材料采用高阻合金。

如图4所示为跳频滤波器三维组装图，主要包含低温共烧陶瓷基片和表贴电容和二极管等器件。如图所示，具有3个“Y”型电感，每个”Y”型电感包括三个电感线圈，在两端线圈上有射频输入端101和输出端103，还有一些线圈的端子也通过接地过孔130接地。

陶瓷基片最底层为焊盘层，如图5所示，焊盘层就是整个跳频滤波器的对外接口，包含射频输入输出端口、电源和数字控制接口，如图5所示，在焊盘层两端的射频输入和输出端101、103的两头是射频输入输出端地焊盘102、104；在焊盘层的一侧两端是5V电源201、214；5V电源201、214的内侧地焊盘202、213，在对面也设置一组地焊盘215；在地焊盘202、213之内是10bit控制电压203-212，它们是加到开关电路上的控制信号K1-K10分别控制由10个电容组成的电容阵列C10-C19是否加入。

第二层为电源层，如图6所示，本实施例的跳频滤波器仅包含5V电源，在这一层一侧两端是两个电源盲孔301，314；在电源盲孔301，314之间是一组控制电压的跨层盲孔303-312；控制电压偏置电阻320两个二极管的偏置电阻321、322，控制电压偏置电阻320和二极管的偏置电阻321、322设置有控制电压盲孔324。第二个谐振器的10位数字控制焊盘通过导线与10个开关电路的控制端连接；电阻也在此层，电阻使用高阻合金，利用表面印刷工艺实现。

第三层为地层，用于信号屏蔽。第四层为电感沟通连线层，因为螺旋线电感的核心必须通过盲埋孔导入其它层才能引出，本层的作用即为沟通连线，如图7所示；设置有电感L1～L3的沟通通道401,402，信号跨层盲孔403。另外第一个谐振器的开关电路控制线也在此层。

第五层为电感层，螺旋线电感均布置在此层，本发明所示的跳频滤波器共包含九个独立电感，电感的两端通过盲埋孔与其它层的信号线连接，如图8所示。附图501～509就是电感L1～L9；接地过孔510；第一个谐振器的跨层盲孔511,512；第二个谐振器的跨层盲孔513,514。

第六和第七层为地层，用于信号屏蔽以及辅助表贴器件散热。第八层为表面焊盘层，是表贴电容和二极管等器件的焊接层，如图9所示。图中附图标记601表示第一个谐振器电容焊接带，与跨层盲孔511,512连接；附图标记602表示第二个谐振器电容焊接带，与跨层盲孔513,514连接。