<p>注：*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】 *  简要介绍作品：          频谱仪分析仪作为射频重要仪器，不仅可以检测频谱，还可以加装跟踪源组成二端口标量网分，是射频入门重要仪器。         本作品设计的模拟带通滤波器，是传统超外差频谱仪中常用的一种中频滤波器。这种中滤波器具备快速响应和带宽连续同步可调的特点，通常称为同步调谐滤波器。         相对于通信常用的带内较为平坦的滤波器，这种同步调谐滤波器带内出现尖峰。明显，这种滤波器并不适用通信滤波器使用。但是这种滤波器也具备通信滤波器不具备的特点。这是因为其电路存在谐振回路，所以并不适合直接通信滤波器使用，但是谐振频率的唯一性以及带宽连续可调这两个特性，非常适合频谱分析使用，故早期模拟频谱仪多用此类型带通滤波器作为中频滤波器。        在制作频谱仪的过程中，射频模组已经完成demo设计，但数字中频设计因为资金原因，进度比较缓慢，故萌生使用模拟中频交叉设计并验证的想法。        频谱仪的模拟中频难点很大部分在于中频滤波器的设计，因为频谱仪的RBW覆盖范围较广，设计还是比较困难，这里先行设计了带宽在1M到100K之间的滤波器。后期再制作30K到3K的晶体滤波器，1K到10Hz则由FFT实现。</p> <p>注：由于本人layout时候智障了一把。。。把两个未屏蔽电感的平行放置了，结果出现阻带尖峰！</p> <p>【请在竞赛阶段填写 ↓】 *  一、作品详情；         模拟同步调谐滤波器，调谐是指滤波器中心频率和带宽都可以调整，同步是这种滤波器在级联使用的时候，每一级的中心频率和带宽是可以独立并同时调整的。         如果每一级的滤波器电路都调整为相同的中心频率和带宽，级联后的带宽将会减小。         如果每一级成参差调谐状态，也可以组成带内平坦的滤波器。         作品需要完成的参数         1.  中心频率10.7M，可微调。         2.  带宽最窄到70K±5k，并连续可调。         3.  带宽70k左右时，3dB ~60dB 矩形系数小于13。         4.  幅频特性测试中，底噪和峰值差 大于80dBm，其中底噪低于-90dBm。         5.  幅频曲线左右对称。         6.  快速脉冲响应。         7.  输入输出阻抗为50Ω。</p> <p>*  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；     首先同步调谐滤波器的应用场合分析，这里有以下几个疑问？     1.   超外差模拟频谱分析仪（以下简称模拟频谱仪）的显示曲线是怎么得来？     2.   为何模拟频谱仪要使用此种滤波器？     3.   怎么实现模拟频谱仪的要求？     注：以下分析仅针对模拟频谱仪。</p> <p>答1： 模拟频谱仪的曲线，是谐振曲线，即中频滤波器的幅频曲线。（额外：数字中频频谱仪，是其中频滤波器的响应，为类高斯窗。）</p> <p>答2：   谐振曲线由中频谐振滤波器构成，理论有且只有一个峰值点，这种曲线可以非常直观的显示点频信号，并且元件使用最好，理论只需一个电感和电容即可组成。             相比使用其他类型的模拟滤波器，比如巴特沃斯和切比雪夫型，通带过于平坦，生成的幅频曲线，不容易寻找其中心频率，不仅测量读数不可靠，并且不容易并计算机数据处理。谐振曲线很容易读取中心频率，计算机只需搜索最大值或最小值即可确定中心频率，直接读数也是很方便。             另外，由多级谐振滤波器组成的中频滤波器，可以通过参差调谐方式，将通带平坦化，此时频谱仪可以充当一般的接收机使用，比如FM和AM解调。             通常情况下，频谱仪的谐振滤波器，不会超过4级，主要是根据公式           <img src="//image.lceda.cn/pullimage/zTYLORurE00oTtYOtPPJV8ETaooL4aPWZrRahcfn.png" alt="image.png">             在级联超过4级以后，滤波器的带宽变化已经比较少，并且随着带宽的减少，谐振频率的稳定性已经不能忽略。每加多一级，都会引入中心频率的漂移。如果是LC集总参数型滤波器，相对带宽低于1%的情况下，电感和电容的略微变化，都会带来带宽较大的不确定度，对测量产生不确定性影响，这也是频谱仪作为频率读数使用时，不如频率计准确的原因之一。             频谱仪因为具备扫频功能，主要受限于YIG本振扫频速度以及中频滤波器的响应，通常快速扫描最短为20ms，一个具备快速响应、带外抑制好、而且没有振铃效应的滤波器是其最佳选择，谐振型滤波器就具备以上特点注：振铃效应来自于滤波器的阶跃响应问题，由于频谱仪是大动态幅度检测，也就是阶跃幅度很大，如果滤波器出现振铃效应，会导致通带和阻带出现波动，造成测量错误。有关滤波器的阶跃响应带来的振铃效应问题，这里篇幅有限，推荐大家阅读《模拟滤波器与电路设计手册》或滤波器相关设计书籍。             模拟频谱仪的RBW带宽设置，也就是中频滤波器的带宽选择，通常为1-3-10的档位，从3M到10Hz，档位非常多。通常由 LC、钽酸锂晶体或压电陶瓷、石英晶体组成，LC组成的滤波器通常是3M 到100K频段，即3M 1M 300K 100K四个档位。             如果采用4个固定带宽的LC滤波器，用开关来切换，首先开关的隔离度必须要很高，其次就是电路比较臃肿。多个LC滤波器带来中心频率不确定性非常大，给测量带来很大的误差，也给校准带来很大麻烦。如果采用可变带宽的LC滤波器，通过连续电压调带宽来完成RBW档位的切换，调谐过程中滤波器的中心频率不变。不仅简化了电路的架构，而且便于校准，因为没有档位开关，所以开关隔离度的问题也不复存在。但是，连续调谐会带来滤波器插损的变化，实际应用中，需要额外的补偿放大器补偿。</p> <p>最后总结一下频谱仪的要求， 中心频率容易测量且稳定性较好、带宽大范围连续可调、快速响应、无振铃效应、矩形系数小于13。</p> <p>答3：如何实现上述要求的滤波器？</p> <p>首先是单级同步调谐的电路原理。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/85pC7ldvr9DV1wzZQLcfiPxyDi0G2Zxg5whZ12M8.png" alt="image.png"></p> <p>实际电路是由多级中心频率和Q值相等的调谐回路组成。各级之间使用FET高阻放大器缓冲隔离，这高阻输入必须的，否则Q值会大大降低。单级的带宽公式为</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/aI4vDWoi41V5GnObjbYELU1tZFlm7YSgBLG73aSb.png" alt="image.png"> 通过改变串联电阻Rs可以降低整个回路的Q值，从而改变带宽，通常用PIN二极管构成，并且是常用AGC回路使用的PIN比较好，因为等效阻值可以比较大。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/JcjtDjQAM0p3VHrnLUjzJ63pRMxGWMJM6OBzREik.png" alt="image.png">  PIN二极管组成的谐振电路  实际电路中使用的二极管型号为RN731V，其电阻-电流特性如下 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ghqd7JPUYX8SbjQkG4z2GHIQeByZUpHSK75JIxB3.png" alt="image.png"></p> <p>明显，导通情况下，通过PIN二极管的电流和导通电阻基本呈线性关系。      电感L取值为0.4uH，使用空心电感绕制而成 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/6QYKxdFNDpgd8LEjXldwsEm3cDah7vLwg8eOiW8Y.png" alt="image.png">        这里为了避免磁芯饱和，所以使用了空心电感。         谐振电容C最佳为空气电容，但是体积过大。使用薄膜电容较为理想替代，薄膜电容大多负温度系数，可以补偿电感线圈的正温度系数特性，并且ESR值低于一般的MLCC电容。 要求不是很高的场合，也可以用NPO型MLCC电容替代。电路实际中使用的就是MLCC电容，为470pF + 68pF两个并联。         注：射频常用的高Q电容也可以。</p> <p>可以看出，这种架构具备许多优点，调谐方便，容许多级之间的轻微不平衡，具备良好的响应等。 级联后的总带宽计算公式 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cOudNwrqS4BuDSF3IsF7tOjAZwaJkJYGORmr45kS.png" alt="image.png"></p> <p>其中n为谐振回路的级数，BWn 为总带宽，BW为单级带宽。如果采用4级级联，单级带宽为总带宽的2.3倍左右。 若最终带宽为70kHz，单级带宽则为161k，需要每级有效Qd值为66左右。根据公式 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/euSst06ZvFiQGoFIp2fSLq6DYSVgatbFc9LVLrX8.png" alt="image.png"> QL为电感Q值，由上面的空心电感计算公式代入，最后得到Rs的值为5.6k 左右。</p> <p>，</p> <p>*  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点；</p> <p>本作品不涉及软件。 在明白的电路原理后，如何设计出合理的硬件参数和选型，是作品硬件的关键点 1.      确定电感材料的选型和电感感量，以及手工绕制的问题。实际设计中，首先使用了手工绕制的空心电感，因为很明显，色环类的电感和小型贴片电感的Q值是无法满足要求的。但是个人绕制手艺不佳并且没有骨架支撑，绕制出来的电感的Q值比较低，级联了6级才勉强达到指标。后来发现某种机器绕制的磁芯电感在抽掉磁芯之后，电感量正好满足需求，所以购买了一些，手工拆掉磁芯，焊上电路后发现，4级就可以满足指标。</p> <p>2.      确定PIN二极管的选型。PIN二极管种类繁多，需要选择合适且容易购买的型号。如果变化带宽比较大，需要可变阻值比较大的PIN二极管，这种PIN二极管通常是AGC回路中使用的多，用于开关和衰减的PIN二极管，通常可变电阻区域较小。</p> <p>3.      每一级的隔离度。使用恒流源驱动PIN二极管是一种比较稳定可靠的选择，简单使用可以直接用电位器+运放输出来调节。因为是直流输出控制PIN二极管，使用低失调的运放可以降低控制的误差。如OP07或OPA2188等。</p> <p>4.      缓冲和放大电路的设计传统同步调谐电路中，使用分立元件电路搭建缓冲区和放大器，虽然噪声低，但参数设计比较复杂。作品使用了运算放大器来代替分立元件电路，噪声虽然高于分立元件电路，但是电路设计大大简化，并且增益的稳定性大大提高。而且现在高带宽的运放并不像以前那样昂贵，所以权衡之下，最终使用运算放大器完成缓冲和放大         需要注意的是，并不是高带宽的运放都适合此电路。谐振回路并联的缓冲运放，使用高阻FET型和双极性的结果差异是很大的，虽然都是高带宽的运放，输入等效电容都比较低，但是双极性的运放存在比较大输入失调和偏置电流，为uA级，变相降低了谐振回路的等效Q值，经过测试后发现的确如此。而FET型运放，输入阻抗比双极性运放高一个数量级，为1GΩ左右，失调和偏置电流为pA级，所以对谐振回路的影响比双极性将低很多，实际测试结果也是如此。另外，使用电压反馈型运放的噪声特性要好于电流反馈型，本来使用运放就已经增加了不少噪声，所以不建议使用电流反馈型运放。         如果需要高增益来补充插损，使用压摆率也是一个重要参数。</p> <p>*  四、作品材料清单； 详细的BOM单请见附件 表格粘贴有问题 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/4y8zS4fmDaEHLppoZ9anCUQhvLaYyNuj0aso4oh6.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/m5W413pI0PMsKeJFLwWcOMqb9qWx5zJZnBTmiqCO.png" alt="image.png"></p> <p>*  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vm5FNh2gh1SmjeP76qImG3xkgzfyI515carznAv1.jpeg" alt="图标.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vsL2BUwmo7568FBIAZAWJGDFZWx2d59rQxw2YnvC.jpeg" alt="微信图片_20190920203834.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/O7YJNjIyUc1AvXAXwZjf29YmIeAufrJS0Wh0r2EL.jpeg" alt="微信图片_20190920203844.jpg"></p> <p>*  六、演示您的作品并录制成视频上传；（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛）</p> <p>视频中讲解矩形系数时候，计算出现错误，应该为400k 除以 35k ，约为11.4左右。</p> <p>七、开源文档。</p>