374～747 MHz數(shù)字可調諧微帶濾波器

田登堯 ，馮全源，向乾尹

（西南交通大學微電子研究所，四川 成都 611756）

374～747 MHz數(shù)字可調諧微帶濾波器

田登堯 ，馮全源，向乾尹

（西南交通大學微電子研究所，四川 成都 611756）

通過在微帶開口諧振環(huán)加載數(shù)字可調電容，設計了一種新穎數(shù)字微帶可調濾波器，同時提出了新型的非均勻開口諧振環(huán)混合耦合結構，使諧振器間耦合系數(shù)隨諧振頻率的降低而增大，實現(xiàn)恒定絕對帶寬可調濾波器。接著對所提出的基于5 bit數(shù)字可調電容的數(shù)字可調微帶濾波器進行了仿真和制作，測試表明，其通帶中心頻率可實現(xiàn)374～747 MHz可調，?3 dB絕對帶寬在44～67 MHz之間變化，OIP3大于50 dBm。

恒定絕對帶寬；數(shù)字可調電容；帶通濾波器；微帶開口諧振環(huán)

1 引言

可調濾波器在電子對抗、通信對抗、跳頻電臺、無線電監(jiān)測、多頻通信、軟件無線電等方面應用廣泛[1～3]，是增強射頻前端抗干擾能力、提升接收機靈敏度、拓寬射頻前端頻譜覆蓋范圍的核心器件。尤其是近年來隨著頻譜資源的日趨緊張，以及多模移動通信的發(fā)展，微波可調濾波器得到了極大的關注。

當前微波可調濾波器的調控主要包括磁可調、機械可調、半導體器件可調、射頻微機電系統(tǒng)（MEMS）可調等形式。其中，磁可調采用YIG諧振器，其可調范圍寬，但需要磁偏置，體積較大，主要應用于少量軍事裝備和測量儀器，難以推廣[4]。機械可調擁有高的線性度以及低的損耗，但其調節(jié)速度慢，體積大[5]?；诎雽w變容二極管以及PIN管的可調濾波器的調節(jié)速度快，然而其線性度較低，另外還需要一個較寬可調范圍的電源加載到PN結上[6,7]，由于半導體變容二極管性價比高，近年來，基于變容二極管及微帶結構得到了大量的新型可調濾波器，如微帶 LC恒定帶寬可調濾波器[8]、微帶混合耦合恒定帶寬濾波器[9]、雙通帶獨立可調濾波器[10]等。射頻MEMS包括射頻MEMS開關以及射頻 MEMS變容器件[11]，可以用在低損耗以及小型化的微帶可調濾波器上，但射頻 MEMS需要復雜的偏置電路、嚴格的工藝制程以及封裝[12]，相關器件仍然較難獲得。隨著硅基CMOS微電子集成工藝的發(fā)展，最近一種擁有高線性度、小尺寸以及快速調節(jié)速度的半導體數(shù)字可調電容(DTC,digitally tunable capacitor)[13]被用于設計數(shù)字可調器件，如數(shù)字可調LC帶通濾波器[14]、天線可調匹配網(wǎng)絡[15]等。然而，這些設計中基于LC集總參數(shù)電路結構，雖然其電路拓撲簡單，但是其無源器件損耗較大、電路結構單一，限制了這些數(shù)字可調器件的性能。

DTC具有低成本、純數(shù)控特征，而微帶結構易于器件集成，設計自由度大、損耗低，是承載DTC的理想平臺。本文基于5 bit DTC加載開口諧振環(huán)，設計了一種新型的恒定帶寬全數(shù)字可調微帶濾波器。本文構建了新型的非均勻開口諧振環(huán)混合耦合結構，實現(xiàn)諧振器間耦合系數(shù)隨諧振頻率的降低而增大，達到恒定絕對帶寬的目的，并采用單片機控制板，利用SPI接口對可調濾波器進行全數(shù)字調控，最后對所提出的數(shù)字可調諧微帶濾波器進行了設計、加工、測試，驗證了其恒定帶寬純數(shù)字化可調諧特性。

2 可調帶通濾波器理論設計

根據(jù)濾波器綜合理論，濾波器的歸一化頻域響應特性可由其歸一化單位變換矩陣（M矩陣）確定，而M矩陣可由各級諧振器間的耦合矩陣（k矩陣）確定。

其中，ABW是絕對帶寬，f0是中心頻率，kij(i,j=1,2,…)代表從源看去第i級和j級諧振器間的耦合系數(shù)。由于濾波器的歸一化頻域響應特性由其 M 矩陣確定，為了維持濾波器在調諧過程中傳遞特性曲線相對中心頻率的穩(wěn)定，需要維持Mij的穩(wěn)定（變化?。Ｋ援旕詈舷禂?shù) kij隨調諧中心頻率 f0上升而下降時，可穩(wěn)定其絕對帶寬ABW特性。從式(1)可以看出，要得到恒定帶寬，還得保證耦合系數(shù)kij的斜率滿足式(1)，故需要利用混合耦合的方法對耦合系數(shù)kij的斜率進行調節(jié)，以得到穩(wěn)定的ABW帶寬特性。常見的調節(jié)耦合系數(shù)的方法有混合耦合調節(jié)法[16]，即利用單端接地的方法對相對獨立的電耦合和磁耦合進行調節(jié)，以得到預期的耦合系數(shù)。而本文則提出了另外一種利用非均勻結構對耦合系數(shù)進行調節(jié)的方法，如圖1所示為本文提出的二階新型微帶開口諧振環(huán)加載數(shù)控電容的可調濾波器微帶電路模型。

圖1 濾波器的電路模型

圖1中的微帶開口諧振器是具有對稱結構的半波長諧振器[17]，諧振器間通過非均勻結構實現(xiàn)以磁為主、電為輔的混合耦合，當電容 CL增大時，其混合耦合系數(shù)由于電耦合的降低而提升。具體定量分析可通過奇偶模法得到其諧振頻率與調控電容、以及耦合系數(shù)與諧振頻率的關系[16]。半邊開口諧振環(huán)的Yt矩陣的二階矩陣表達式如式(2)～式(4)所示。式中的下標e、o分別代表該奇模量和偶模量，Y1、Y2、Y3、Y4e,o、Y5e,o是各段微帶線的導納，1φ、2φ、3φ、φ4e,o、φ5e,o、6φ是各段微帶線的電長度，CL是開口諧振環(huán)兩端所加載的電容，ω為角頻率。

式(2)～式(4)中的變量 Ytde,o、Yt11ne,o、Yt22ne,o如式(5)～式(7)所示。

式(5)～式(7)中的變量 A1e,o、A0e,o、B2e,o、B1e,o、B0e,o、C1e,o、C0e,o如式(8)～式(14)所示。

式(8)～式(14)中的變量 X1e,o、X2e,o、X3e,o、X4e,o如式(15)～式(18)所示。

利用式(2)～式(4)可以求得從PortA看進去的輸入阻抗的奇模偶模表達式，如式(19)所示。

整體加載電容耦合導納矩陣如式(20)所示。

在得到整個濾波器的Y矩陣后，就能夠利用式(21)～式(23)求得可變電容 CL隨著中心頻率的變化表達式，以及耦合系數(shù) k12隨中心頻率變化的表達式。利用式(20)可得到關于CL的一元二次方程，以求解取符合實際的CL。

表1是通過仿真軟件Sonnet仿真以及微帶線軟件計算的主要參數(shù)，其中，ω為角頻率，ω0表示其中心諧振角頻率。通過表 1中的參數(shù)以及式(22)，利用數(shù)值計算的方法得到不同L4和L5長度下的k12值，如圖2所示。這能表明k12斜率可以由非均勻的耦合結構中L4和L5的長度比來進行調節(jié)，從而滿足恒定絕對帶寬的要求。同時，k12的不同斜率對中心頻率隨 CL的調諧特性影響非常小，可實現(xiàn)帶寬的獨立設計。

表1 數(shù)字可調帶通濾波器主要參數(shù)

圖2 不同尺寸下的k12和CL計算對比

3 可調帶通濾波器物理實現(xiàn)

圖3 數(shù)字可調濾波器尺寸

基于上面的理論分析，通過仿真軟件 Sonnet的仿真優(yōu)化，本文設計了如圖3所示的數(shù)字可調帶通濾波器結構。采用 5 bit DTC（digitally tunable capacitor）作為可調電容，其封裝大小為 2 mm×2 mm× 0.45 mm，輸入二階交調截止點（IIP2）是105 dBm、三階交調截止點（IIP3）是65 dBm，最大轉換時間是12 μs[13]，平均切換速度能達到100 kHz。由于DTC是基于內部MOS集成開關的數(shù)字化可調電容陣列，所以不需要射頻扼流器或者隔直電容。同時，DTC能與單片機等數(shù)字芯片之間直接利用SPI接口進行控制信號通信，簡化了電路設計。本文將 DTC加載于諧振器的開口處，實現(xiàn)對諧振器的純數(shù)字化、高速調諧，提升可調濾波器的線性度。

DTC電路仿真模型如圖4所示，其可調參數(shù)由式(25)和式(26)確定。

圖4 DTC的等效電路模型原理

其中，State=0,1,2,…,31，RP1=7 ?,RP2=10 k?,CP=0.5 pF,LS=0.27 nH。

由式(24)可知，其電容可調范圍為0.60～4.60 pF。基于上述模型，利用場—路協(xié)同仿真，可得到圖 3中電路的耦合系數(shù)及可調濾波特性如圖5所示。

圖5 不同中心頻率下的k12和CL仿真計算對比

圖5中的仿真 k12是通過對諧振器兩端加載弱耦合，從而得到不同頻率下的2個諧振頻率f1、f2，利用式(26)求得其仿真k12。

從圖5可以看出，k12隨著頻率的增加而減小，在電容從 0.6～4.6 pF變化過程中可調范圍為0.37～0.73 GHz。圖6(a)為其可調濾波器特性，圖中S11的幅值出現(xiàn)了較大波動，這是由于濾波器的阻抗特性會隨著頻率的變化而變化。本文采用微帶變壓器耦合的設計，使其在可調范圍內 S11lt;?10 dB 。圖6(b)為其帶寬和插入損耗統(tǒng)計特性?？梢姳窘Y構可實現(xiàn)耦合系數(shù)斜率的調控，從而實現(xiàn)恒定帶寬可調濾波，相關理論計算與仿真吻合。

圖6 仿真結果（N=State）

4 加工與測試

本文基于 F4B-2 板材(εr=2.65,tanθ=0.001，h=0.8 mm)對圖3中所提出的結構無源部分進行了加工。其核心面積為50 mm×58 mm。采用PE64904 5 bit DTC并由MCU (STM8S103F3P6)控制，利用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡分析儀進行散射參數(shù)進行測量。該可調濾波器的S參數(shù)如圖7(a)所示。該濾波器的中心頻率在374～747 MHz變化時，其絕對帶寬變化在 44～67 MHz之間變化，其插入損耗是3～3.6 dB，其相對中心頻率的可調比率達到了 2，實現(xiàn)了恒定絕對帶寬的數(shù)字可調帶通濾波器。相關理論計算、仿真、測試結果吻合，證明了本文結構的正確性。

圖8是在不同輸入功率下的響應曲線，其插損在輸入功率?20～10 dBm變化時，僅改變0.04 dB，相比傳統(tǒng)基于變容二極管可調濾波器[16]具有明顯的線性度優(yōu)勢。圖9是State為0時三階截止點OIP3的實際測試波形，其OIP3為50.9 dBm，其底噪NOUT為?95 dBm。通過文獻[18]中的方法，得到無雜散動態(tài)范圍SFDR。圖10中所示的是OIP3和SFDR隨頻率的變化曲線。

圖7 仿真和測試結果（N=State）

表2中列出了本文所設計的數(shù)字可調濾波器與其他相似濾波器的對比，從表2中可以看出，相對于 LC+DTC的濾波器結構，本文所提出的微帶線+DTC的結構具有插入損耗小的優(yōu)點，只有該結構插入損耗的一半。而相對于微帶線+變容二極管的結構，雖然本文結構插入損耗較大，是因為 DTC的等效串聯(lián)電阻比變容二極管的大，本文中所用的PE64904的等效串聯(lián)電阻是在1.4～3.12 ?之間，而在文獻[16]中的變容二極管MA46H202的等效串聯(lián)電阻在0.2～0.9 ?之間。而在插入損耗變化相對不大的情況下，微帶線+DTC的結構具有數(shù)字化、單電源的特點，并且能夠達到比較寬的調節(jié)范圍，中心頻率調節(jié)比達到了2，而在所有用微帶線+變容二極管結構中，文獻[16]的中心頻率調節(jié)比最大，但也只是達到了1.66。同時，相對于文獻[8]和文獻[16]中的濾波器，本文所提出的微帶+DTC結構具有更好線性度，在中心頻率范圍為374～747 MHz時，其OIP3大于50 dBm。

表2 與其他參考文獻的比較

圖8 在不同輸入功率下的|S21|測試結果(State=15)

圖9 OIP3 測試(State=0)

圖10 不同諧振頻率下的OIP3和SFDR

5 結束語

本文基于微帶開口諧振加載 5 bit數(shù)字可調電容實現(xiàn)了新型的數(shù)字可調微帶濾波器結構。采用非均勻傳輸線耦合結構形成了磁為主、電為輔的混合耦合結構，實現(xiàn)了恒定絕對帶寬。通過奇模偶模法，得到了加載電容以及耦合系數(shù)隨頻率的變化關系，理論計算、仿真結果以及測試結果吻合良好。測試表明該濾波器在中心頻率為374～747 MHz變化時，其?3 dB絕對帶寬在44～67 MHz之間變化，其相對中心頻率的可調比率達到了2，其OIP3大于50 dBm，驗證了其純數(shù)字調控能力。相關器件可應用于軟件無線電、認知無線電、無線頻譜檢測等領域。

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374～747 MHz digital tunable microstrip filter

TIAN Deng-yao,FENG Quan-yuan,XIANG Qian-yin

(Institute of Microelectronics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

A novel digital microstrip tunable bandpass filter based on digitally tunable capacitor loading microstrip open ring resonators was proposed. The novel non-uniform open ring resonances with mixed coupling structure was used to make the coupling coefficient of the resonators increases with the decreasing of resonance frequency and achieve a constant absolute bandwidth tunable filter. Then the proposed digital tunable microstrip filters based on 5 bit digitally tunable capacitance was simulated and manufactured. The measurement shows that the ?3 dB absolute bandwidth varies from 44～67 MHz while the central frequency of the passband varying from 374～747 MHz,the OIP3 is greater than 50 dBm.

constant absolute bandwidth,digitally tunable capacitor,bandpass filter,microstrip open ring resonators

s:The National Natural Science Foundation of China (No.61531016,No.61271090,No.61401375),Science and Technology Foundation of Sichuan Province (No.2015GZ0103),Central University Foundation (No.2682014RC24,No.2682015CX065)

TN713

A

2015-09-23；

2016-07-06

國家自然科學基金資助項目（No.61531016,No.61271090,No.61401375）；四川省科技支撐計劃基金資助項目（No.2015GZ0103）；中央高?；鹳Y助項目（No.2682014RC24,No.2682015CX065）

10.11959/j.issn.1000-436x.2016163

田登堯（1988-），男，四川德陽人，西南交通大學博士生，主要研究方向為射頻及功率集成電路。

馮全源（1963-），男，江西景德鎮(zhèn)人，博士，西南交通大學教授、博士生導師，主要研究方向為集成電路設計、微波及毫米波技術、移動天線與智能天線系統(tǒng)和RFID 系統(tǒng)。

向乾尹（1982-），男，四川彭州人，博士，西南交通大學講師、碩士生導師，主要研究方向為可重構射頻、射頻識別與集成電路設計。