中心頻率和負(fù)群時(shí)延可調(diào)帶阻濾波器的設(shè)計(jì)

王焱飛，游 彬

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

中心頻率和負(fù)群時(shí)延可調(diào)帶阻濾波器的設(shè)計(jì)

王焱飛，游 彬

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

采用耦合線設(shè)計(jì)了一種中心頻率和負(fù)群時(shí)延NGD可調(diào)的帶阻濾波器，可調(diào)的中心頻率和負(fù)群時(shí)延分別由變?nèi)荻O管和PIN二極管來(lái)實(shí)現(xiàn).為了改善回波損耗，設(shè)計(jì)了具有輸入/輸出阻抗匹配的可調(diào)帶阻濾波器.仿真和測(cè)試結(jié)果表明，單獨(dú)調(diào)節(jié)時(shí)，中心頻率和負(fù)群時(shí)延的調(diào)節(jié)范圍分別為1.450 GHz～1.870 GHz和-2 ns～-30 ns；同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)，可調(diào)范圍分別為1.680 GHz～1.860 GHz和-4 ns～-14 ns.

帶阻濾波器；可調(diào)中心頻率；負(fù)群時(shí)延；短路耦合線；信號(hào)衰減

0 引 言

隨著微波毫米波通信的快速發(fā)展，“負(fù)群時(shí)延(Negative Group Delay, NGD)”或“超光速傳播”的物理現(xiàn)象受到越來(lái)越多的關(guān)注，這些現(xiàn)象發(fā)生在吸收線附近或信號(hào)衰減較大的傳輸媒介中.近年來(lái)，負(fù)群時(shí)延現(xiàn)象已在電子電路中實(shí)現(xiàn)，并在各種通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-2].國(guó)外已采用各種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)群時(shí)延電路或?yàn)V波器，比如缺陷微帶結(jié)構(gòu)、缺陷接地結(jié)構(gòu)、3-dB混合耦合器和傳輸線等[3-9]，也有采用non-Foster活性元素和左右手混合材料的新型結(jié)構(gòu)[10-11].然而，這些研究中的結(jié)構(gòu)都只能實(shí)現(xiàn)固定的中心頻率和負(fù)群時(shí)延.

圖1 可調(diào)帶阻濾波器整體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)代移動(dòng)通信對(duì)無(wú)線通信設(shè)備集成化、小型化提出了越來(lái)越高的要求，且越來(lái)越多的通信制式被制定出來(lái)，對(duì)可調(diào)濾波器的性能要求也越來(lái)越高.文獻(xiàn)[12-14]對(duì)可調(diào)負(fù)群時(shí)延電路進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[12-13]中的結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)可調(diào)的負(fù)群時(shí)延，文獻(xiàn)[14]中的結(jié)構(gòu)雖然可以同時(shí)調(diào)節(jié)中心頻率和負(fù)群時(shí)延，但其調(diào)節(jié)范圍比較窄，文獻(xiàn)[13-14]中采用的3-dB混合耦合器導(dǎo)致插入損耗增大.為此，本文設(shè)計(jì)了一種具有輸入/輸出阻抗匹配的可調(diào)負(fù)群時(shí)延帶阻濾波器，通過(guò)改變變?nèi)荻O管和PIN二極管兩端的電壓實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的中心頻率和負(fù)群時(shí)延，其調(diào)節(jié)范圍更寬，信號(hào)衰減更小.

1 理論分析和計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的可調(diào)帶阻濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主體結(jié)構(gòu)由微帶線和短路耦合線構(gòu)成，與主體結(jié)構(gòu)連接的變?nèi)荻O管和PIN二極管用于調(diào)諧中心頻率和負(fù)群時(shí)延.變?nèi)荻O管CV1用于調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率，CV2用于對(duì)S11的諧振頻率進(jìn)行調(diào)整，PIN二極管RV用于調(diào)節(jié)濾波器的負(fù)群時(shí)延，CDC為隔直電容，LRFC為射頻扼流圈.微帶線ZT1，ZT2，ZT3和ZT4為匹配電路，用于改善濾波器的回波損耗，其中短路線ZT3和ZT4用于將輸入阻抗匹配為純電阻形式，便于輸入導(dǎo)納與端口導(dǎo)納形成復(fù)共軛匹配.

可調(diào)濾波器的集總元件等效電路如圖2(a)所示，該等效電路圖未包含匹配電路部分和變?nèi)荻O管CV2.圖2(a)中，虛線框內(nèi)為PIN二極管RV等效電路，短路耦合線的等效電路由L1，L2，L12和C12構(gòu)成，導(dǎo)納變換器J1和J11分別與微帶線Z2和Z3相對(duì)應(yīng).可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)CV1可以改變LC諧振電路的諧振頻率，相應(yīng)地改變?yōu)V波器的中心頻率.通過(guò)調(diào)節(jié)Rj可以改變RV，從而進(jìn)行負(fù)群時(shí)延的調(diào)諧.

(1)

(2)

從圖1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的濾波器的整個(gè)結(jié)構(gòu)是關(guān)于TT’面對(duì)稱的，因此可采用奇偶模分析法進(jìn)行理論分析，奇偶模分析的等效結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示.連接有負(fù)載電阻YL=1/RV的短路耦合線的輸入導(dǎo)納YCin可用式(1)表示，式(2)為奇偶模輸入導(dǎo)納Yino和Yine的表達(dá)式.

圖2 濾波器等效結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)式(2)中奇偶模輸入導(dǎo)納的虛部為0時(shí)，即可得到奇偶模諧振頻率fo和fe，濾波器的中心頻率f0及負(fù)群時(shí)延τ|f=f0分別為：

(3)

(4)

設(shè)計(jì)可調(diào)濾波器需要定性地了解CV和RV對(duì)中心頻率及負(fù)群時(shí)延的影響.但由于f0和NGD的解析式過(guò)于復(fù)雜，已無(wú)法直觀得到CV和RV改變時(shí)對(duì)其造成的影響.將所有參數(shù)值代入式(1)—(4)計(jì)算不同CV和RV對(duì)應(yīng)的f0和NGD，并繪制CV和RV對(duì)f0和NGD的影響曲線.為了驗(yàn)證理論分析及計(jì)算的正確性，本文采用ADS軟件對(duì)圖1所示電路中CV和RV對(duì)中心頻率f0和負(fù)群時(shí)延的影響進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖如圖3所示.由圖3可以看出，中心頻率f0僅與CV有關(guān)而不受RV的影響，且f0隨CV的增大而減小，所以改變CV即可實(shí)現(xiàn)對(duì)中心頻率的調(diào)節(jié).而負(fù)群時(shí)延NGD則同時(shí)受CV和RV的影響，但由圖3可以看出，NGD受RV的影響較大，而受CV的影響相對(duì)較小，所以調(diào)節(jié)NGD需以調(diào)節(jié)RV為主，且每次調(diào)節(jié)中心頻率后，需要調(diào)整RV使NGD保持相同值.盡管如此，依然可以看出本文設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)可靈活調(diào)節(jié)中心頻率和負(fù)群時(shí)延.

圖3 CV和RV對(duì)中心頻率和負(fù)群時(shí)延的影響

圖3中，理論計(jì)算與ADS仿真的CV和RV對(duì)中心頻率和NGD的影響趨勢(shì)一致，但具體數(shù)值上存在一定差異，這是因?yàn)樵趂0和NGD的解析式推導(dǎo)過(guò)程中，采用了一定的近似值引起的，但這種數(shù)值上的誤差并不影響本文的定性分析.

2 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證上述理論分析，對(duì)所設(shè)計(jì)的可調(diào)帶阻濾波器進(jìn)行加工和測(cè)試.加工所用的基板材料為Rogers RO4350B，其介電常數(shù)為3.66，介質(zhì)損耗為0.003 7，板材厚度為0.508 mm，變?nèi)荻O管和PIN二極管的型號(hào)分別為Skyworks公司的SMV1232-079LF和SMP1302-079LF，變?nèi)荻O管和PIN二極管控制電路中CDC分別使用20 pF和6 pF的電容，所有LRFC均使用100 nH的電感.設(shè)計(jì)的濾波器的實(shí)際尺寸參數(shù)如表1所示.

表1 可調(diào)負(fù)群時(shí)延濾波器的尺寸參數(shù) mm

未加變?nèi)荻O管時(shí)，S參數(shù)和負(fù)群時(shí)延的仿真與測(cè)試曲線的對(duì)比如圖4所示.圖4中，測(cè)試曲線對(duì)應(yīng)的中心頻率為2.170 GHz，將負(fù)群時(shí)延調(diào)整為-7.5 ns，PIN二極管兩端電壓V2為0.650 V.可以看出，測(cè)試曲線與仿真曲線基本一致，只是在中心頻率上有所偏差，這主要由PIN二極管的寄生電容所引起，不過(guò)并不排除加工誤差和焊接誤差等對(duì)其造成的影響.

單獨(dú)調(diào)節(jié)負(fù)群時(shí)延時(shí)所設(shè)計(jì)濾波器的測(cè)試曲線如圖5所示，在0.606 V～0.998 V范圍內(nèi)改變PIN二極管兩端電壓V2，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)群時(shí)延在-2 ns～-30 ns范圍內(nèi)變化，在改變V2時(shí)中心頻率一直保持在2.170 GHz，這也驗(yàn)證了前面定性理論分析所得出的結(jié)論.在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，信號(hào)衰減S21最大達(dá)到39.60 dB，回波損耗S11均大于12 dB.

圖4 NGD=-7.5 ns時(shí)，仿真和測(cè)試對(duì)比圖

圖5 單獨(dú)調(diào)節(jié)負(fù)群時(shí)延的測(cè)試波形

圖6為本文設(shè)計(jì)的可調(diào)帶阻濾波器單獨(dú)調(diào)諧中心頻率時(shí)的實(shí)測(cè)波形，從0.300 V到8.900 V調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓V1，中心頻率隨之在1.450 GHz～1.870 GHz之間變化(可調(diào)帶寬BW=420 MHz)，由前面理論分析可知，在調(diào)節(jié)中心頻率的同時(shí)，CV的變化會(huì)引起負(fù)群時(shí)延發(fā)生改變，所以在調(diào)節(jié)V1時(shí)需要微調(diào)PIN二極管兩端的電壓V2，使負(fù)群時(shí)延保持在-7 ns.整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，信號(hào)衰減均小于21.40 dB，同時(shí)回波損耗均大于14 dB.

圖7為同時(shí)調(diào)節(jié)中心頻率和負(fù)群時(shí)延的測(cè)試波形，中心頻率和負(fù)群時(shí)延的可調(diào)范圍分別是1.680 GHz～1.860 GHz(BW=180 MHz)和-4 ns～-14 ns.整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中信號(hào)衰減小于22.50 dB，回波損耗大于14.50 dB.所設(shè)計(jì)濾波器實(shí)物圖如圖7中小圖所示，實(shí)際物理尺寸為67.52 mm×64 mm.

圖6 單獨(dú)調(diào)節(jié)中心頻率的測(cè)試波形

圖7 同時(shí)調(diào)節(jié)中心頻率和負(fù)群時(shí)延的測(cè)試波形

對(duì)比圖5和圖7發(fā)現(xiàn)，負(fù)群時(shí)延的可調(diào)范圍不同，這是由中心頻率的不同引起的，不同的中心頻率實(shí)現(xiàn)相同NGD所需的阻值不同，所以，f0不同時(shí)相同阻值實(shí)現(xiàn)的NGD也不同.與此同時(shí)，圖6和圖7中，中心頻率的可調(diào)范圍也不一致，這是因?yàn)閳D6中的NGD固定在-7 ns，而圖7中的NGD是變化的，也就是說(shuō)NGD不同時(shí)，相對(duì)應(yīng)的中心頻率的可調(diào)范圍也會(huì)有所不同.本文設(shè)計(jì)的可調(diào)濾波器與相關(guān)研究成果的對(duì)比結(jié)果如表2所示.從表2可以發(fā)現(xiàn)，目前文獻(xiàn)中看到的NGD最大為-20 ns，中心頻率可調(diào)范圍為200 MHz，而本文設(shè)計(jì)的濾波器可達(dá)到的NGD最大值為-30 ns，中心頻率的最大可調(diào)范圍為420 MHz，而且信號(hào)衰減更小.

表2 負(fù)群時(shí)延濾波器性能指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種中心頻率和負(fù)群時(shí)延均可調(diào)的帶阻濾波器.在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行仿真、加工和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了其靈活的調(diào)諧性，可靈活設(shè)計(jì)負(fù)群時(shí)延、中心頻率及損耗特性.與相關(guān)文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的可調(diào)濾波器相比，本文所設(shè)計(jì)的可調(diào)帶阻濾波器具有較寬的可調(diào)范圍，同時(shí)插入損耗更小.仍有需要改進(jìn)的地方，比如如何減小PIN二極管寄生電容對(duì)中心頻率的影響，如何實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)，在今后的研究中有待進(jìn)一步完善.

[1] CHAUDHARY G, JEONG Y. Transmission-type negative group delay networks using coupled line doublet structure[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2015,9(8):748-754.

[2] 鄧良,戴永勝.基于多級(jí)不對(duì)稱耦合器負(fù)群延時(shí)電路研究[J].電子與封裝,2014(9):33-35.

[3] CHAUDHARY G, JEONG Y, LIM J. Miniaturized negative group delay circuit using defected microstrip structure and lumped elements[C]//Microwave Symposium Digest (IMS), 2013 IEEE MTT-S International. IEEE, 2013:1-3.

[4] CHAUDHARY G, JEONG J, KIM P, et al. Compact negative group delay circuit using defected ground structure[C]//2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings(APMC). IEEE, 2013:22-24.

[5] CHAUDHARY G, JEONG Y. Distributed Transmission Line Negative Group Delay Circuit With Improved Signal Attenuation[J]. IEEE Microwave & Wireless Components Letters, 2014, 24(1):20-22.

[6] CHAUDHARY G, JEONG Y. Low Signal-Attenuation Negative Group-Delay Network Topologies Using Coupled Lines[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2014, 62(10):2316-2324.

[7] CHAUDHARY G, JEONG Y. Transmission-Line Negative Group Delay Networks With Improved Signal Attenuation[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2014, 13:1039-1042.

[8] CHAUDHARY G, KIM P, KIM J, et al. Coupled line negative group delay circuits with very low signal attenuation and multiple-poles characteristics[C]//Microwave Conference(EuMC), 2014 44th European. IEEE, 2014:25-28.

[9] CHAUDHARY G, JEONG Y, LIM J. Microstrip line negative group delay filters for microwave circuits[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2014,62(2):234-243.

[10] MIRZAEI H, ELEFTHERIADES G V. Realizing Non-Foster Reactive Elements Using Negative-Group-Delay Networks[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013,61(12):4322-4332.

[11] CHOI H, JEONG Y, LIM J, et al. A Novel Design for a Dual-Band Negative Group Delay Circuit[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2011,21(1):19-21.

[12] CHAUDHARY G, JEONG Y, IM J. A design of reconfigurable negative group delay circuit without external resonators[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015,14:883-886.

[13] JEONG J, PARK S, CHAUDHARY G, et al. Design of tunable negative group delay circuit for communication systems[C]//Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012:59-61.

[14] JEONG J, PARK S, CHAUDHARY G, et al. Design of tunable negative group delay circuit for communication systems[C]//Radio-Frequency Integration Technology(RFIT), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012:59-61.

DesignofBandstopFilterwithTunableCenterFrequencyandNegativeGroupDelay

WANG Yanfei, YOU Bin

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A bandstop filter(BSF) with tunable center frequency and negative group delay(NGD) using coupled line is designed. The tunable center frequency and NGD can be achieved by varactors and PIN diodes. In order to improve the return characteristic, a tunable filter with input/output impedance matching is designed. The simulated and measured results show that the independently tunable ranges of center frequency and NGD are 1.450 GHz～1.870 GHz and -2 ns～-30 ns, respectively. The center frequency and NGD can be adjusted within 1.680 GHz～1.860 GHz and -4 ns～-14 ns when they are adjusted at the same time.

bandstop filter; tunable center frequency; negative group delay; shorted-circuit coupled line; signal attenuation

TN713+.5

A

1001-9146(2017)05-0007-05

2016-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61671195)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14F010090)

王焱飛(1993-)，女，河南鄭州人，碩士研究生，射頻濾波器.通信作者:游彬教授，E-mail:youbin@hdu.edu.cn.

10.13954/j.cnki.hdu.2017.05.002