E型雙通帶可重構(gòu)帶通濾波器

毋 茜，金 龍

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都611731）

E型雙通帶可重構(gòu)帶通濾波器

毋 茜，金 龍

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都611731）

由于通信領(lǐng)域?qū)τ诙囝l帶可調(diào)諧濾波器的要求，基于E型諧振器加載變?nèi)荻O管設(shè)計(jì)了緊湊型頻率可重構(gòu)帶通濾波器，并通過電磁仿真軟件 HFSS13.0進(jìn)行驗(yàn)證。采用奇偶模分析法分析了E型雙模諧振器特性，通過改變加載電容的外加偏壓值控制偶模諧振長(zhǎng)度，第一通帶可調(diào)范圍達(dá)到 18.2%（1.60～1.92 GHz），通過調(diào)整饋線長(zhǎng)度和縫隙控制外部Q值同時(shí)保證絕對(duì)帶寬恒定為60 MHz，第二通帶（2.25 GHz）保持不變，其加工實(shí)物測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)吻合。

變?nèi)荻O管；頻率可重構(gòu)；帶通濾波器；E型諧振器

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛快發(fā)展，現(xiàn)在人們對(duì)電子電路的集成度、可靠性、體積大小等方面要求越來越高，而通信標(biāo)準(zhǔn)的制式也越來越多，如3G標(biāo)準(zhǔn)的CDMA、WCDMA和目前4G標(biāo)準(zhǔn)的TD-LTE、FDD-LTE以及無線局域網(wǎng)WLAN等，而隨著5G的出現(xiàn)和推廣，頻譜占用越來越密集，不同帶寬和不同中心頻率的濾波器成為新的研究?jī)?nèi)容[1-2]。

在實(shí)際民用無線通信中，雙頻段和多頻段應(yīng)用都較為廣泛。對(duì)于傳統(tǒng)的頻率確定的濾波器，要達(dá)到多頻段的選擇性，需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，這樣的組合不僅使得收發(fā)射頻端體積增大，還會(huì)增大插入損耗使得濾波器的選頻效果變差，同時(shí)還會(huì)增加功率損失和制作成本，由此研究學(xué)者們展開了對(duì)重構(gòu)濾波器的研究[3]。本文重點(diǎn)研究微帶線雙模諧振器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型雙通帶濾波器，在L頻段和S頻段實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)。

1 可重構(gòu)技術(shù)

可重構(gòu)濾波器自出現(xiàn)以來，相關(guān)技術(shù)一直在發(fā)展。以前濾波器采用機(jī)械可調(diào)的方法[4]，此種方法雖然可調(diào)范圍較大，但調(diào)諧速度過慢且實(shí)現(xiàn)體積較大。此后出現(xiàn)的磁調(diào)諧可分為鐵氧體類和 YIG類的磁調(diào)諧濾波器[5]，該類可調(diào)濾波器調(diào)諧頻帶寬，線性好，但成本太高，調(diào)諧時(shí)間長(zhǎng)，而電可重構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)解決了此類問題，采用外加電流或電壓的方式控制有源器件的方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧便捷調(diào)諧時(shí)間短的要求。電調(diào)諧的方法一般有射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF MEMS）[6]，PIN開關(guān)二極管[7]及其他功能性調(diào)諧原件[9]，此類可重構(gòu)方法也有一定缺陷因?yàn)橐胝{(diào)諧器件，加電實(shí)現(xiàn)的同時(shí)會(huì)引入偏置電路使得濾波器體積增大損耗增大。

采用變?nèi)荻O管[8]作為可重構(gòu)器件，調(diào)諧速度快且易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)加入電容減小了諧振長(zhǎng)度縮小了濾波器尺寸。因此本文采用變?nèi)荻O管調(diào)諧，外加反向偏壓改變電容值，通過分析變?nèi)莨苋葜祵?duì)諧振長(zhǎng)度的影響，選用合適變?nèi)莨芗爸C振器尤為重要。

2 E型雙模諧振器

通過上節(jié)的分析，在本文研究的濾波器中采用E型雙模諧振器。此諧振器是由兩段相同的開路枝節(jié)和一段短路枝節(jié)構(gòu)成，本文采用均勻阻抗諧振器，其中短路枝節(jié)的阻抗與開路枝節(jié)相同，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 E型雙模諧振器

2.1 特征分析

由于E型雙模諧振器中的介質(zhì)是均勻的且結(jié)構(gòu)對(duì)稱，對(duì)于主模 TEM，可采用奇偶模分析法，即分別用奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)兩種狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行分析。奇偶模等效電路如圖2所示。

圖2 奇偶模等效電路模型

在奇模激勵(lì)下，相當(dāng)于對(duì)稱面為電壁，此時(shí)中心對(duì)稱面可看作短路面，此時(shí)從等效電路一端看進(jìn)去的輸入阻抗為：

設(shè)Yinodd=0，因此在奇模激勵(lì)的諧振條件為：

在偶模激勵(lì)下，相當(dāng)于對(duì)稱面為磁壁，此時(shí)中心對(duì)稱面可看作開路面，此時(shí)的輸入阻抗可求出為：

式中ZT為從電容端看進(jìn)去的阻抗。

設(shè) Yineven=0，可看出在偶模激勵(lì)下的諧振頻率與電容c和兩段微帶線的電長(zhǎng)度θ1、θ2有關(guān)，而

因此在微帶線長(zhǎng)度 L1，L2一定時(shí)，改變電容 c，可改變偶模諧振頻率達(dá)到可重構(gòu)的目的。

根據(jù)以上分析，E型雙模諧振器在奇模下的諧振頻率與 L1有關(guān)；在偶模激勵(lì)下，諧振頻率不僅與 L1、L2有關(guān)，還與電容c有關(guān)。取阻抗Z1=Z2=50 Ω，由式（4）和式（5）得出電容 c在 L1、L2（L1取 4/λg附近）與諧振頻率的關(guān)系曲線如圖3，可看出當(dāng) L1、L2一定，取合適的電容 c可設(shè)計(jì)出滿足L波段和S波段的雙通帶濾波器。

圖3 電容和諧振頻率的關(guān)系

由圖3知，選用合適的2～6 pF范圍內(nèi)的變?nèi)荻O管可滿足要求。本文采用Skyworks公司的SMV1413-079LF，變?nèi)荼葹?.2，Q值可達(dá)2 400。經(jīng)過仿真，其電容-電壓曲線與數(shù)據(jù)手冊(cè)一致，本文設(shè)計(jì)取外部偏壓為1 V、2.5 V、5 V、10 V時(shí)電容分別為6.37 pF、4.85 pF、3.77 pF、2.85 pF。

2.2 外部Q值提取

實(shí)際進(jìn)行濾波器綜合時(shí)，尤其是在可調(diào)濾波器范疇，濾波器終端外部Q值的提取非常重要，通過控制外部Q值可調(diào)節(jié)濾波器帶寬。在帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)中；

因此在絕對(duì)帶寬恒定下，外部Q值與耦合饋線的原件值有關(guān)，本文采用的 4/λg諧振器中間加載短路枝節(jié)串聯(lián)變?nèi)荻O管，諧振器長(zhǎng)度不變，調(diào)節(jié)饋線長(zhǎng)度及耦合縫隙即可保證絕對(duì)帶寬恒定。

3 雙通帶可重構(gòu)濾波器的實(shí)現(xiàn)

3.1 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上節(jié)分析了基本單元E型雙模諧振器，本文采用兩個(gè)基本單元相互耦合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)通帶有兩個(gè)極點(diǎn)。在電磁耦合的過程中，此結(jié)構(gòu)會(huì)在第一通帶和第二通帶之間產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，增加濾波器雙通帶的選頻作用。具體結(jié)構(gòu)等效電路如圖4。

圖4 雙通帶可重構(gòu)濾波器的等效電路

此結(jié)構(gòu)的饋電方式不同于以往傳統(tǒng)的濾波器采用抽頭式饋電，由于短路枝節(jié)加載變?nèi)荻O管電長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。由2.2節(jié)分析可知，采用在底部平行耦合饋電可保證外部Q值變化較小，即平行耦合饋電在窄帶濾波器中應(yīng)用可使絕對(duì)帶寬變化較小。通過在 HFSS13.0優(yōu)化仿真，可達(dá)到第一通帶絕對(duì)帶寬恒定的特性，解決了恒定帶寬同時(shí)中心頻率可重構(gòu)的這一難題。

3.2 仿真優(yōu)化和測(cè)試

根據(jù)圖4在HFSS13.0建立仿真模型，采用羅杰斯4350作為介質(zhì)基板，εe=3.66，h=1 mm，介質(zhì)損耗為0.004。經(jīng)過以上分析及在仿真軟件中的優(yōu)化，設(shè)計(jì)具體參數(shù)如下：w0=2.1 mm，w1=0.5 mm，w2=1.5 mm，l1=20 mm，l2= 9.2 mm，l3=7.6 mm，s0=0.2 mm，s1=0.9 mm，s2=6.3 mm，偏置電路中L=27 nH，濾波器實(shí)物加工如圖5，整體尺寸為31×33 mm2。

圖5 實(shí)物加工圖

如圖6，通過在HFSS13.0的仿真，雙模E型諧振器實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，第一通帶變化范圍為1.60 GHz～1.92 GHz，3 dB帶寬 60 MHz，第二通帶中心頻率在 2.25 GHz，3 dB帶寬 100 MHz。根據(jù)圖6的仿真結(jié)果圖，帶內(nèi) S(2，1)在1 dB左右浮動(dòng)，S(1，1)在10 V時(shí)第一通帶兩個(gè)極點(diǎn)在-12 dB和-17 dB，所有可重構(gòu)頻帶內(nèi) S(1，1)最大在-10 dB，S(2，1)在-1.4 dB。

測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖7，各項(xiàng)指標(biāo)匯總?cè)绫?、表2。由于加入偏置電路會(huì)使S參數(shù)指標(biāo)下降，從圖中可看出 S(1，1)基本在-10 dB，實(shí)測(cè)結(jié)果展現(xiàn)出濾波器良好的性能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的有效性。

圖6 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

隨著無線通信的迅速發(fā)展，雙頻帶阻濾波器的需求越來越廣泛，對(duì)濾波器性能和尺寸的要求也越來越嚴(yán)格。在此背景下，本文提出一種新型的雙通帶頻率可重構(gòu)絕對(duì)帶寬恒定的濾波器，討論了可重構(gòu)技術(shù)方法并進(jìn)行比較，針對(duì)E型雙模諧振器參數(shù)對(duì)傳輸特性的影響，采用的變?nèi)荻O管作為可重構(gòu)器件并進(jìn)行建模、仿真和實(shí)物測(cè)試，設(shè)計(jì)出由兩個(gè)E型諧振器通過電磁耦合構(gòu)成的微帶帶通濾波器，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好。該濾波器結(jié)構(gòu)有效電路尺寸較小，只有0.15λg×0.16λgmm2，達(dá)到小型化的要求。該結(jié)構(gòu)的帶通濾波器有較好的可重構(gòu)特性，從1.6 GHz到1.9 GHz的四個(gè)頻帶內(nèi)，而且該均有較為平坦衰減較小的通帶特性。

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E shape dual-band reconfigurable bandpass filter

Wu Xi，Jin Long
(Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

Because of the requirement for the muliband reconfigurable filter in communication field，this artical designed a compact frequency reconfigurable band-pass filter based on the E shape resonator loaded varactor,which verified through HFSS13.0.Analyzing the E shape dual-mode resonator by odd-even mode analytical method,by changing the bias voltage values of the loading condenser to control the even mode resonant length,the first pass-band adjustable range reach to 18.2%(1.6 GHz～1.92 GHz),and making the absolute bandwidth stay in a constant state at 60 MHz with controling external quality factor by changing the length of feeder and slit at the same time,the second pass-band(2.25 GHz)remain unchanged,the results of the processed object measurement and the simulation are relatively consistent.

varactor；frequency reconfigurable；bandpass fiter；E shape resonator

圖7 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表1 第一通帶各項(xiàng)參數(shù)

表2 第二通帶各項(xiàng)參數(shù)

TN402

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.038

毋茜，金龍.E型雙通帶可重構(gòu)帶通濾波器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：141-144.

英文引用格式：Wu Xi，Jin Long.E shape dual-band reconfigurable bandpass filter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：141-144.

2016-07-21）

毋茜（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：射頻電子電路、電子與通信工程。

金龍（1974-），男，博士研究生，副研究員，主要研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、微波毫米波電路與系統(tǒng)。