基于工字型雙模諧振器的恒定帶寬調(diào)頻濾波器的設(shè)計(jì)

劉 暢，魏淑華，王 霄，萬 晶

(1.北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100144；2.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引 言

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展及5G頻段的推廣應(yīng)用，射頻微波濾波器作為無線通信中射頻前端的關(guān)鍵器件受到了廣泛關(guān)注，提高其帶寬選擇性與帶外抑制度成為目前主要的研究方向之一。以梳狀線型、半開環(huán)型等為代表的交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波器的綜合理論與設(shè)計(jì)方法已十分成熟，此類濾波器具有較好的帶外抑制度和選擇性，但實(shí)現(xiàn)帶寬有限且尺寸較大，不符合當(dāng)前寬頻調(diào)節(jié)、小型化的濾波器設(shè)計(jì)需求。多模諧振器具有結(jié)構(gòu)緊湊、低損耗、成本低、易于實(shí)現(xiàn)和平面集成等優(yōu)點(diǎn)，為設(shè)計(jì)更高性能的可調(diào)濾波器提供了一種有效解決方案。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)于平面多模濾波器的設(shè)計(jì)都采用單級諧振器結(jié)構(gòu)，在頻率選擇和阻帶抑制方面性能不高，限制了多模諧振結(jié)構(gòu)濾波器的應(yīng)用范圍。

通過提高雙模諧振器的階數(shù)可以較好地提高多模濾波器的帶外抑制度和頻率選擇性[1-2]。Wu等[3]采用三角盤雙模諧振器實(shí)現(xiàn)了雙模二階帶通濾波器，其傳輸零點(diǎn)位于低阻帶，而高阻帶并無傳輸零點(diǎn)，因此選擇性較差，且尺寸較大。Gorur等[4]基于相同的耦合拓?fù)?，采用了支?jié)加載半波長諧振器，該濾波器具有優(yōu)良的帶外抑制度與選擇性。Cheng等[5]采用耦合1/4波長的階梯阻抗諧振器(SIR)，設(shè)計(jì)了一款四階交叉耦合的帶通濾波器，利用1/4波長階梯阻抗諧振器的雜散位于三倍頻特性，有效增加了阻帶寬度。Ren[6]等提出一種基于1/4波長諧振器的E型雙模結(jié)構(gòu)雙通帶絕對帶寬恒定帶通濾波器，其結(jié)構(gòu)緊湊，低阻帶具有一傳輸零點(diǎn)且?guī)庖种拼笥?0 dB。采用基于工字型雙模諧振器二階耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此濾波器能夠在可調(diào)頻率1.5～2.0 GHz中心頻點(diǎn)范圍內(nèi)建立具有3個傳輸零點(diǎn)、高選擇性的通帶響應(yīng)，調(diào)諧過程中為保持通帶寬度和帶外抑制等性能穩(wěn)定，帶外傳輸零點(diǎn)可獨(dú)立控制，用以獲得理想的阻帶響應(yīng)。通過仿真并測試，驗(yàn)證了其可行性，結(jié)果表明，該濾波器具有橢圓函數(shù)帶通響應(yīng)，具有良好的選擇性和帶外抑制能力。

1 工字型雙面諧振器

采用工字型雙模諧振器由兩段相同的開路枝節(jié)和一段短路枝節(jié)并加載4個可變電容構(gòu)成，如圖1所示。由于工字型雙模諧振器介質(zhì)均勻且結(jié)構(gòu)對稱，分別運(yùn)用奇模激勵與偶模激勵兩種狀態(tài)對諧振器進(jìn)行分析，進(jìn)而簡化運(yùn)算[4]。奇偶模等效電路如圖2所示。

圖1 單級諧振器模型

圖2 奇偶模等效電路圖

如圖(a)所示，在奇模激勵下，將對稱面視為電壁，此時中心對稱面可看作短路面，傳輸線短路阻抗為：

(1)

傳輸矩陣：

在奇模情況下，Zload=0，得到

奇模輸入阻抗為：

(2)

(3)

(4)

根據(jù)傳輸矩陣可知，負(fù)載Ce的導(dǎo)納為：

(5)

因此，偶模導(dǎo)納為3個導(dǎo)納的并聯(lián)，即可得到：

Yine=Yine1+Yine2+jωCe2

(6)

奇偶模諧振頻率fo和fe可以通過解相應(yīng)的諧振條件獲得。根據(jù)諧振條件Yin=0，得到奇偶模的諧振頻率分別為：

(7)

式中：c為真空中的光速，εeff為基板的有效介電常數(shù)。觀察公式(3)和(6)可以發(fā)現(xiàn)，奇模諧振頻率被Co控制，而偶模諧振頻率由Ce和Ce2同時控制。當(dāng)諧振器中微帶線L1、L2、L3長度一定時，改變相應(yīng)電容C可使濾波器帶寬可調(diào)[5]。

可調(diào)濾波器實(shí)際進(jìn)行綜合時，濾波器終端的外部Q值描述該器件的頻率選擇性。調(diào)節(jié)外部品質(zhì)因數(shù)Q所得到的濾波器仿真曲線如圖3所示。品質(zhì)因數(shù)通常定義為在諧振頻率下一個周期內(nèi)的平均儲能與平均耗能之比。通過控制外部品質(zhì)因數(shù)Q可調(diào)節(jié)濾波器帶寬，Q值越高，濾波器的帶寬越窄。在帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)中：

圖3 C1對濾波器響應(yīng)的影響

(8)

在絕對帶寬(FBW)恒定條件下，外部Q值與耦合饋線的元件值有關(guān)。采用諧振器與饋線中間加載短路支節(jié)串聯(lián)變?nèi)荻O管結(jié)構(gòu)，諧振長度不變，調(diào)節(jié)變?nèi)莨芗纯稍诤愣◣挆l件下獨(dú)立改變外部品質(zhì)因數(shù)[7]。

2 恒定帶寬調(diào)頻濾波器設(shè)計(jì)

基于工字型雙模諧振器的恒定帶寬調(diào)頻濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 本研究的二階諧振器結(jié)構(gòu)

采用兩諧振器串聯(lián)的方式以獲得更好的帶外抑制度，二階可重構(gòu)濾波器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。該濾波器具有兩個獨(dú)立耦合的諧振器，其中諧振器模式1與諧振器模式3分別對應(yīng)諧振器1中的奇模和偶模，諧振器模式3和4分別對應(yīng)諧振器2中的奇模和偶模。

圖5 二階濾波器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)中心頻率的增加并保持恒定帶寬，可以通過按比例降低L2和增加L3調(diào)節(jié)奇偶模響應(yīng)頻率，對比如圖6和圖7。通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的枝節(jié)線長度，可調(diào)濾波器響應(yīng)與傳輸線模型顯示出明顯的一致性。同樣按比例增加L4長度，可以實(shí)現(xiàn)回波損耗的調(diào)節(jié)。觀察圖8可以看出帶外抑制度的獨(dú)立改變，這樣能夠加大高頻阻帶的抑制度，同時也使阻帶帶寬更寬。

圖6 L2對奇模諧振模式的影響

圖7 L3對偶模諧振模式的影響

圖8 L4對帶外抑制的影響

圖9給出中心頻點(diǎn)從1.4～2.0 GHz并保持400 MHz的帶寬頻率響應(yīng)。帶外抑制30 dB以上，帶內(nèi)插入損耗3.6 dB。第一、第二零點(diǎn)在調(diào)節(jié)過程中分別跟隨模頻率和偶模頻率一起移動，這使得整個濾波器的調(diào)節(jié)過程中，通帶依然有兩個陡峭的通帶邊沿能夠保持高選擇性[8]。

電路設(shè)計(jì)在厚度為0.508 mm的Rogers_4350b基板上，可變電容選用Skyworks公司的SMV1231、SMV1232和SMV1234，固定電容則為0402封裝瓷片電容，電阻為0402封裝10 KΩ貼片電阻。整個電路的物理版圖如圖9所示，其對應(yīng)的電路參數(shù)為：Z1=50 Ω，θ1=25°,Z2=100 Ω，θ2=50°(參考頻率fd=1.8 GHz)，奇模諧振頻率可調(diào)范圍可以覆蓋偶模諧振頻率，以實(shí)現(xiàn)最大的中心頻率調(diào)節(jié)。二階濾波器版圖如圖3～6所示，雙模諧振器之間加入兩個獨(dú)立耦合結(jié)構(gòu)控制。串聯(lián)可調(diào)電容C6調(diào)節(jié)雙級間耦合，且在雙模諧振下方新添加了一個開路支節(jié)加載變?nèi)莨蹸5，引入一個極點(diǎn)構(gòu)成了第三個極點(diǎn)。電磁耦合過程中，此結(jié)構(gòu)會在帶外右側(cè)產(chǎn)生一個可調(diào)諧零點(diǎn)，從而增加濾波器的選頻能力。

圖9 濾波器調(diào)頻仿真結(jié)果

3 測試結(jié)果及分析

優(yōu)化得到濾波器最終尺寸為L1=5 mm，L2=5 mm，L3=0.5 mm，W1=0.55 mm，L4=7 mm，L5=5 mm，W2=0.4 mm。濾波器加工實(shí)物如圖10所示，整體尺寸30 mm×25 mm。

圖10 實(shí)物加工圖

濾波器的固定帶寬調(diào)節(jié)中心頻點(diǎn)測試結(jié)果如圖11所示。在固定400 MHz帶寬條件下，中心頻率從1.4 GHz調(diào)節(jié)到2.0 GHz，具有較大的調(diào)諧范圍，右側(cè)帶外的阻帶抑制可以通過調(diào)節(jié)傳輸零點(diǎn)與外部品質(zhì)因數(shù)Cm進(jìn)行補(bǔ)償。帶寬內(nèi)最大插入損耗4.5 dB，3個傳輸零點(diǎn)在調(diào)節(jié)過程中保持恒定帶寬，以保持高選擇性，回波損耗大于30 dB。仿真與測試結(jié)果對比如圖12所示。從圖中可以看出，實(shí)際測試Q值低于仿真，推測可能是引入有源器件導(dǎo)致濾波器整體Q值下降。左側(cè)帶寬極點(diǎn)位置與仿真相同，且?guī)鈽O點(diǎn)工作在相同頻率，仿真與測試對比圖驗(yàn)證了仿真設(shè)計(jì)的可行性，展現(xiàn)出該濾波器良好的性能，對設(shè)計(jì)思路的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖11 調(diào)頻測試結(jié)果

圖12 仿真測試對比

此次提出的可調(diào)濾波器與其他可調(diào)濾波器保持了近似的表現(xiàn)，提出的濾波器與參考文獻(xiàn)6、9相比，在相似尺寸下具有更寬的中心頻點(diǎn)調(diào)諧范圍和較高的阻帶抑制，如表1所示[6，7，9，10]。

表1 與文獻(xiàn)中其他可調(diào)濾波器對比

4 總結(jié)

討論了可重構(gòu)濾波器的調(diào)節(jié)方式并進(jìn)行了比較，提出一個基于變?nèi)荻壒茈娬{(diào)節(jié)諧振長度的頻點(diǎn)可調(diào)濾波器。對工字型雙模諧振器與傳輸線模型進(jìn)行推導(dǎo)與分析，并進(jìn)行了仿真和測試驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，這種濾波器具有橢圓函數(shù)的帶通響應(yīng)，對測試結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示具有較好的一致性。濾波器的帶外抑制度和選擇性得到有效提高，寬范圍的頻點(diǎn)調(diào)節(jié)能夠廣泛運(yùn)用到無線通信系統(tǒng)中。