基于加載變?nèi)荻O管的多通帶濾波器可調(diào)傳輸零點(diǎn)的研究

吳佳熙,于 映

(南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院,江蘇 南京 210046)

濾波器作為射頻系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件之一,在通信系統(tǒng)中發(fā)揮的作用十分重要。為了高效地利用頻譜資源,可調(diào)濾波器已成為當(dāng)前濾波器設(shè)計(jì)者們應(yīng)當(dāng)考慮的方向之一?？烧{(diào)濾波器具有增大頻率變化范圍、調(diào)節(jié)帶寬、調(diào)諧速度快等優(yōu)點(diǎn),但是目前已有的可調(diào)濾波器存在帶外抑制性能較差、諧波無(wú)法抑制、結(jié)構(gòu)單一等缺點(diǎn)。因此傳輸零點(diǎn)可調(diào)和多通帶已成為當(dāng)前濾波器系統(tǒng)的重要發(fā)展方向,再者,可調(diào)濾波器在遠(yuǎn)程監(jiān)控雷達(dá)、遠(yuǎn)程探測(cè)衛(wèi)星和洲際彈道導(dǎo)彈等方面也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。隨著新型材料和無(wú)源器件的快速發(fā)展,濾波器的可重構(gòu)已趨于成熟,但如何利用可調(diào)的傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通帶的帶內(nèi)抑制和帶外抑制仍需進(jìn)一步研究[1-6]。

濾波器具有多種實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的方式如釔鐵石榴體、PIN 二極管、變?nèi)荻O管、MEMS 等,變?nèi)荻O管憑借其調(diào)諧速度快、電容變化范圍大、尺寸小、易集成、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)為濾波器的可重構(gòu)提供了更多的可能性[7-8]。Chen[3]提出可以通過(guò)加載變?nèi)荻O管的半波長(zhǎng)雙模諧振器實(shí)現(xiàn)對(duì)中心頻率的獨(dú)立控制。該濾波器在每條饋電微帶線上加載了一對(duì)長(zhǎng)度不等的平行耦合短截線,從而在兩個(gè)通帶之間產(chǎn)生傳輸零點(diǎn),并使得帶外抑制大于34 dB,但該濾波器無(wú)法單獨(dú)控制其傳輸零點(diǎn)。Zhang 等[4]提出了一種新型的雙通帶帶通濾波器,該濾波器是在三模階梯阻抗諧振器的基礎(chǔ)上加載變?nèi)荻O管和短截線來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通帶的獨(dú)立控制和設(shè)計(jì),但該濾波器電路尺寸大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,帶外抑制差。You 等[5]提出了一種可調(diào)傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器,該濾波器通過(guò)改變兩個(gè)諧振器的中心頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)所需傳輸零點(diǎn)的可調(diào),并且其傳輸零點(diǎn)可在通帶兩側(cè)移動(dòng),但該濾波器只有一側(cè)有較好的帶外抑制,另一側(cè)抑制較差且傳輸零點(diǎn)移動(dòng)范圍小,插入損耗較大。以上文獻(xiàn)中提出的多通帶濾波器結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,如何設(shè)計(jì)一個(gè)傳輸零點(diǎn)可調(diào)、帶外抑制性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、多傳輸零點(diǎn)的多通帶濾波器仍是電路設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)[9-10]。

本文基于階梯阻抗諧振器的基本理論,通過(guò)在SIR 結(jié)構(gòu)的微帶線上加載四個(gè)變?nèi)荻O管設(shè)計(jì)了一種傳輸零點(diǎn)可調(diào)并且可以利用可調(diào)的傳輸零點(diǎn)抑制通帶的緊湊型多通帶帶通濾波器。該濾波器由兩個(gè)折疊開環(huán)階躍阻抗諧振器(FOLSIR)組成,在不增加電路尺寸的情況下,可以獲得多個(gè)傳輸零點(diǎn),具有較好的帶外抑制性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn),還可以通過(guò)改變變?nèi)荻O管的電容值單獨(dú)控制其中一個(gè)傳輸零點(diǎn)在0.5～2 GHz 范圍內(nèi)移動(dòng),并通過(guò)電磁仿真得到驗(yàn)證。

1 SIR 諧振器分析

在微波頻段內(nèi),通常把微帶線作為無(wú)損耗處理[11]。階梯阻抗諧振器(SIR)是由兩段或者多段不同阻抗的傳輸線構(gòu)成的一種傳播橫向電磁波或者準(zhǔn)橫向電磁波的結(jié)構(gòu),它分為全波長(zhǎng)型,半波長(zhǎng)(λg/2)型以及四分之一波長(zhǎng)(λg/4)型諧振器(如圖1 所示)。全波長(zhǎng)型和λg/2 型SIR 諧振器相對(duì)于λg/4 諧振器體積較大并且會(huì)在兩倍頻附近產(chǎn)生二次諧波,二次諧波附近并不會(huì)產(chǎn)生特定的傳輸零點(diǎn),因此帶外抑制特性較差。綜上所述,在實(shí)際應(yīng)用中往往采用λg/4 型SIR 諧振器[12-13]。

圖1 λg/4 型SIR 諧振器Fig.1 λg/4 SIR resonator

諧振器諧振頻率與特性阻抗比(SIR 的電氣長(zhǎng)度)之間的關(guān)系描述為:

式中:θ是各部分的電氣長(zhǎng)度;Rz=Z2/Z1是HIP 和LIP 的特性阻抗比。以微帶線為基本結(jié)構(gòu),各部分的特性由式(2)確定:

式中:f0是SIR 的諧振頻率;fs1是SIR 的第一個(gè)寄生諧振頻率。開路端輸入阻抗為:

根據(jù)諧振條件可得:

從式(4)可以看出,SIR 結(jié)構(gòu)諧振器的諧振條件與電長(zhǎng)度θ、阻抗比Rz有關(guān)。通過(guò)諧振條件分析可得,通過(guò)改變兩段傳輸線的長(zhǎng)度或者改變傳輸線的阻抗比都可以設(shè)計(jì)SIR 結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)濾波器[14]。

基于以上理論本文設(shè)計(jì)了一個(gè)折疊開環(huán)的SIR 諧振器,如圖2 所示。SIR 的初始物理尺寸(W1,W2,W3)可根據(jù)式(5)和(6)得出。

圖2 SIR 諧振器結(jié)構(gòu)Fig.2 SIR resonator structure

式中:εr為介質(zhì)板的介電常數(shù);εre為有效介電常數(shù);W為微帶線寬度;h為介質(zhì)板的厚度。

本文的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)引入變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸零點(diǎn)的控制,從而利用傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通帶抑制的效果。傳輸零點(diǎn)的控制取決于以下因素:(1)金屬通孔的大小;(2)L3之間的耦合強(qiáng)度;(3) 帶狀線之間距離S1?？梢酝ㄟ^(guò)合理選擇以上因素,設(shè)計(jì)出所要求的濾波器諧振頻率和獨(dú)特的傳輸零點(diǎn)。

2 濾波器設(shè)計(jì)與分析

濾波器選用Rogers 3010 材料,相對(duì)介電常數(shù)為10.2,損耗角正切為0.003,設(shè)計(jì)使用了二階的SIR 諧振器(圖2)并在諧振器的開路端加載四個(gè)變?nèi)荻O管,通過(guò)變?nèi)荻O管改變諧振器的電長(zhǎng)度和耦合強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)的可調(diào),最終設(shè)計(jì)出如圖3 所示的濾波器結(jié)構(gòu)。該濾波器可以通過(guò)調(diào)整微帶線之間的間隙和電容的大小來(lái)調(diào)整其傳輸零點(diǎn)的移動(dòng)。經(jīng)過(guò)三維仿真軟件HFSS 對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理,濾波器參數(shù)如表1 所示。

表1 濾波器尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of filter

根據(jù)圖3 所示濾波器結(jié)構(gòu),運(yùn)用HFSS 軟件結(jié)合上述理論得到該濾波器在0～3 pF 范圍內(nèi)的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4 所示。仿真結(jié)果表明,該頻段內(nèi)濾波器有四個(gè)傳輸零點(diǎn),因此具有較好的帶外抑制特性,并且隨著電容值在0～3 pF 內(nèi)的改變,最右側(cè)的傳輸零點(diǎn)可以在0.5～2 GHz 頻段內(nèi)自由移動(dòng),當(dāng)電容值分別為0,0.5 和2 pF 時(shí),傳輸零點(diǎn)隨電容值的改變而移動(dòng)使得濾波器在2.1,1.51 和0.57 GHz 的通帶被分別抑制,從而形成雙通帶的帶通濾波器并且都具有較好的帶外抑制特性。當(dāng)電容值為1.5 pF 和3 pF 時(shí),傳輸零點(diǎn)分別移至0.9～1.3 GHz 和0～0.5 GHz 之間,形成雙傳輸零點(diǎn)的三通帶帶通濾波器。因此該濾波器可以抑制三通帶內(nèi)的任一通帶,使得帶通濾波器可以在三帶通或雙帶通兩種狀態(tài)下自由切換。

圖3 引入四個(gè)變?nèi)荻O管的SIR 濾波器結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of SIR filter with four capacitor tubes

圖4 加載變?nèi)荻O管后濾波器仿真結(jié)果。(a) C=0 pF;(b) C=0.5 pF;(c) C=1.5 pF;(d) C=2 pF;(e) C=3 pFFig.4 Simulation results of the filter after loading the varactor.(a) C=0 pF;(b)C=0.5 pF;(c) C=1.5 pF;(d)C=2 pF;(e)C=3 pF

由仿真結(jié)果可以看出,在0.5～2 GHz 頻段內(nèi),插入損耗小于1 dB 并且回波損耗大于10 dB;通過(guò)電容在0～3 pF 范圍內(nèi)的調(diào)控使得傳輸零點(diǎn)能在0.5～2 GHz 內(nèi)自由調(diào)節(jié),可以利用可調(diào)的傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)濾波器的帶內(nèi)和帶外抑制。

3 濾波器制作與測(cè)試

最終濾波器實(shí)物如圖5 所示。介質(zhì)材料為Rogers 3010,基板厚度為0.635 mm,相對(duì)介電常數(shù)為10.2,損耗角正切為0.003,尺寸為30 mm× 37.85 mm,采用的變?nèi)荻O管型號(hào)為SMV2020-079LF。

圖5 可調(diào)濾波器實(shí)物圖Fig.5 The physical picture of the modulated filter

所設(shè)計(jì)的緊湊型電可調(diào)帶通濾波器測(cè)試結(jié)果如圖6 所示?？梢钥闯?通過(guò)控制四個(gè)變?nèi)荻O管偏置電壓(0～20 V)的改變使得高頻處的傳輸零點(diǎn)逐漸向低頻移動(dòng),導(dǎo)致濾波器的三個(gè)通帶從右往左逐次被抑制。當(dāng)電容值為0 pF 時(shí),傳輸零點(diǎn)移至高頻處并將第三通帶(2.03 GHz)抵制,形成雙通帶(中心頻率在1.02 GHz 和1.61 GHz)濾波器,但通帶內(nèi)的插入損耗較大。偏置電壓Vc為11 V 時(shí)電容值增大到0.5 pF,第二通帶(1.54 GHz)被抑制形成中心頻率在1.01 GHz 和1.93 GHz 的雙通帶濾波器。電壓Vc減小到1.5 V,電容值為2 pF 時(shí),第一通帶(0.77 GHz)會(huì)被抑制,形成中心頻率在1.12 GHz 和1.69 GHz 的雙通帶濾波器。因此該濾波器可以通過(guò)改變電容值的大小調(diào)整傳輸零點(diǎn)的位置從而實(shí)現(xiàn)通帶抑制和通帶數(shù)量的改變。將圖6 實(shí)測(cè)結(jié)果與圖4 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出,通帶內(nèi)插入損耗實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真結(jié)果惡化了1 dB 左右,但其因傳輸零點(diǎn)的可調(diào)而實(shí)現(xiàn)的帶內(nèi)帶外抑制性能一致。

圖6 加載變?nèi)荻O管后濾波器測(cè)試結(jié)果。(a) C=0 pF;(b) Vc=11 V, C=0.52 pF;(c) Vc=1.5 V,C=2 pF;(d) Vc=0 V, C=3 pFFig.6 Filter test results after loading varactor diodes.(a)C=0 pF;(b) Vc=11 V, C=0.52 pF;(c)Vc=1.5 V, C=2 pF;(d) Vc=0 V, C=3 pF

由于SMA 射頻連接器以及介質(zhì)基板的損耗,測(cè)試結(jié)果的插入損耗和回波損耗也相應(yīng)地稍有惡化,并且隨著電容值的變化使得傳輸線的等效電長(zhǎng)度發(fā)生改變,從而使得中心頻率有所偏移,但總體而言實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,最終使得濾波器工作頻段在0.5～1.1 GHz,1.2～1.51 GHz,1.63～1.92 GHz 附近。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款通過(guò)加載變?nèi)荻O管利用可調(diào)的傳輸零點(diǎn)來(lái)抑制通帶性能或者改變通帶數(shù)量的微帶線結(jié)構(gòu)的多通帶帶通濾波器。該濾波器通過(guò)SIR 諧振器末端的耦合產(chǎn)生傳輸零點(diǎn),然后通過(guò)引入變?nèi)荻O管控制耦合強(qiáng)度大幅度提高了傳輸零點(diǎn)的可調(diào)范圍。濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在0.5～2 GHz 頻段內(nèi)能較好地利用傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通帶的抑制和通帶數(shù)量的改變,并且通帶的插入損耗小于3 dB,帶外抑制優(yōu)于40 dB。與現(xiàn)有的研究結(jié)果相比,該電調(diào)濾波器的研究不僅大大提高電調(diào)濾波器的帶外抑制性能,而且可以利用可控的傳輸零點(diǎn)抑制通帶或諧波,縮小濾波器的體積。這種傳輸零點(diǎn)可調(diào)的濾波器研究可為移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻段提供更多的選擇,具有很好的研究意義。