一種十字型可重構(gòu)三頻濾波器的研究

程駿，柳秀山，張琴

（廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東廣州，510665）

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，可重構(gòu)濾波器由于兼容性好，成本低廉而越來越受到重視。近年來，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出一些不同類型的可重構(gòu)濾波器。在文獻(xiàn)[1]中，作者提出了一種具有恒定絕對(duì)帶寬（ABW）和獨(dú)立控制通帶的可重構(gòu)帶通濾波器。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于三模短截線負(fù)載階躍阻抗諧振器的可重構(gòu)雙頻濾波器。在文獻(xiàn)[3]中，作者提出了一種具有兩個(gè)中心抽頭的新型λ/2諧振器來實(shí)現(xiàn)具有恒定絕對(duì)帶寬的可重構(gòu)濾波。然后，在文獻(xiàn)[4]中，作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一對(duì)具有外部品質(zhì)因素調(diào)諧結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)濾波器。在文獻(xiàn)[5,6]中，作者提出了兩種不同的MMR結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)帶寬可調(diào)節(jié)的帶通濾波器，所設(shè)計(jì)的濾波器具有調(diào)諧范圍寬，調(diào)節(jié)機(jī)制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是，上述所有參考文獻(xiàn)都集中在雙頻帶可重構(gòu)濾波器方面，并不能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)更多頻段可重構(gòu)濾波器的需求。在文獻(xiàn)[7]中，作者設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的可重構(gòu)三頻帶通濾波器，該濾波器通過打開和關(guān)閉PIN二極管來實(shí)現(xiàn)雙頻和三頻帶通特性的切換。但是，這種濾波器只能工作在固定頻道的三頻段濾波器模式下，并不能提供連續(xù)可調(diào)的通帶范圍。

在文獻(xiàn)[8-11]中，作者提出了各種不同結(jié)構(gòu)、不同類型的三頻段帶通濾波器，其中有些濾波器性能比較優(yōu)秀。但是這些濾波器都只是固定頻段的三通道濾波器，不具備可重構(gòu)功能。這些濾波器在制造完畢后，其頻率、帶寬等參數(shù)就完全固定，不具備電子可調(diào)諧功能，因此無法滿足在可變環(huán)境下的應(yīng)用要求。

本文提出了一種三頻段可重構(gòu)帶通濾波器，它包含三個(gè)通帶，其中一個(gè)通帶具有獨(dú)立可重構(gòu)功能，能在外部直流電壓的控制下實(shí)現(xiàn)中心頻率的大范圍連續(xù)可調(diào)。由于濾波器采用了合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，因此具有很小的機(jī)械尺寸和良好的濾波性能。

1 濾波器數(shù)學(xué)模型及理論分析

1.1 三?？芍貥?gòu)諧振器

本文所提出的濾波器，其基本濾波單元是一個(gè)具有十字型結(jié)構(gòu)的三模諧振器。圖1給出了三模諧振器的基本結(jié)構(gòu)圖，它由一根半波長(zhǎng)微帶線，一個(gè)短路短截線單元以及與變?nèi)荻O管連接的開路短截線單元所組成。變?nèi)荻O管放置在半波長(zhǎng)微帶線的中心點(diǎn)，連接著開路短截線。變?nèi)荻O管的S參數(shù)模型由器件制造廠商提供。由于所提出的三模諧振器幾何結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，因此可以利用偶模和奇模分析方法來分析它的諧振特性。對(duì)于奇模激勵(lì)，沿著A-A’平面有一個(gè)零電壓面。在奇模激勵(lì)下，可以用如圖2（a）所示的半邊等效電路來說明。

圖1 三模諧振器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)微波傳輸線理論，此時(shí)的奇模輸入導(dǎo)納公式推導(dǎo)如下：

其中θ1=βL1表示半波長(zhǎng)微帶線的電長(zhǎng)度。根據(jù)共振條件Yin,odd= 0 ，該結(jié)構(gòu)的第一奇模諧振頻率可計(jì)算如下：

其中εeff表示基板的有效介電常數(shù)，c是自由空間中的光速。 從式（2）可以看出，奇模諧振頻率不受任何負(fù)載短截線的影響。

對(duì)于偶模激勵(lì)，因?yàn)闆]有任何電流流過A-A’ 平面。因此，我們可以將中間的電路結(jié)構(gòu)平分以獲得如圖2（b）所示的等效電路，其包含兩個(gè)等效諧振回路：一個(gè)短路短截線單元和一個(gè)與變?nèi)荻O管連接的開路短截線單元。

圖2 (a)奇模等效電路 2(b)偶模等效電路

對(duì)于短路短截線單元（如圖3（a）所示），其輸入阻抗可以表示為：

圖3 (a)偶模第一部分 3(b)偶模第二部分

其中θi=βLi表示特定微帶線的電長(zhǎng)度。 從諧振條件Yin,even1= 0 可以推導(dǎo)出：

為簡(jiǎn)化起見，假設(shè)Y2 = 2Y1，則上式可以推導(dǎo)為：

或

其中，λg表示在偶模諧振的情況下，在介質(zhì)基板上的導(dǎo)波波長(zhǎng)。因此，短截線諧振器的第一諧振頻率可以推導(dǎo)為

對(duì)于與變?nèi)荻O管相連的開路短截線，如圖3（b）所示，其輸入阻抗可以推導(dǎo)為：

其中Cv是連接在傳輸線和開路短截線中間的變?nèi)荻O管的電容值。根據(jù)諧振條件其諧振頻率可以確定為

從（2），（7）和（11）可以看出，fodd的數(shù)值只由 L1決定，不受其他任何參數(shù)影響；feven1的數(shù)值由L1和L2共同決定，也不受Cv影響；而feven2不僅受到L1，L3的影響，同時(shí)也受到Cv的控制。因此，施加到變?nèi)荻O管的偏置電壓的變化必將導(dǎo)致feven2的變化，使得第三通帶的中心頻率連續(xù)可調(diào)成為可能。因此，當(dāng)L1，L2和L3的數(shù)值固定不變以后，第二偶模諧振頻率feven2就在Cv的單獨(dú)控制下實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。

1.2 三頻段可重構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，本文提出的三模諧振器可用于設(shè)計(jì)具有一個(gè)可控頻段和兩個(gè)固定頻段的三頻段帶通濾波器。

因此，所提出的三頻段帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程如下：首先，根據(jù)式（2）選擇適當(dāng)長(zhǎng)度的 L1，然后根據(jù)式（7），選擇短路短截線的長(zhǎng)度L2，再根據(jù)式（11）選擇開路短截線的長(zhǎng)度L3，最后根據(jù)式（9）和（11）確定變?nèi)荻O管Cv上的偏置電壓。

為了驗(yàn)證上文的理論分析過程，我們使用HFSS軟件[12-15]對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行了全波電磁仿真。需要說明的是，因?yàn)橛性措娐凡荒苤苯邮褂肏FSS軟件進(jìn)行仿真，因此我們可以將變?nèi)荻O管在不同偏置電壓響應(yīng)下的S參數(shù)模型導(dǎo)入HFSS軟件，從而讓計(jì)算機(jī)仿真成功執(zhí)行。本設(shè)計(jì)中使用的硅變?nèi)荻O管是Skyworks公司的SMV1408。

在所有的仿真過程中，半波長(zhǎng)微帶線L1的長(zhǎng)度總是固定的。圖4示出了在變?nèi)荻O管Cv的電容值和開路短截線L3的長(zhǎng)度也同時(shí)固定的情況下，諧振電路的S參數(shù)仿真曲線圖。在這種情況下，奇模諧振頻率fodd顯然是固定不變的，而第一偶模諧振頻率feven1可以通過改變短截線L2的長(zhǎng)度來改變，同時(shí)第二偶模諧振頻率feven2幾乎保持不變。通過改變L2的值從4mm到8mm，對(duì)應(yīng)的諧振頻率feven1可以實(shí)現(xiàn)從1.39到1.72GHz連續(xù)變化。

圖4 不同L2情況下的S21仿真曲線圖

需要特別指出的是，上文中feven1的頻率雖然實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變化，但前提條件是L2的機(jī)械長(zhǎng)度能夠被改變。實(shí)際上濾波器的實(shí)物一旦制造出來，L2的長(zhǎng)度是固定不變的。也就是說，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)不同長(zhǎng)度的L2，需要制造出每一個(gè)不同的濾波器實(shí)物，才能得到不同的數(shù)值的feven1頻率 。

圖5示出了具有兩個(gè)固定頻段和一個(gè)可調(diào)諧頻段的諧振電路仿真結(jié)果。在這種情況下，開路短截線L3的長(zhǎng)度和短截線L2的長(zhǎng)度都是固定的，而變?nèi)荻O管Cv的外部偏置電壓從0v變化到5v。 從圖5可以看出，第一通帶中心頻率fodd固定在1.45GHz不變，第二通帶中心頻率feven1固定在2.49GHz。 同時(shí)，第三通帶中心頻率feven2由加載在開路短截線處的變?nèi)荻O管的偏置電壓值(Bias)來控制。隨著偏置電壓的變化，第三通帶的中心頻率feven2可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。從仿真結(jié)果可以看出，第三通帶中心頻率feven2可以從3.16GHz到3.39GHz實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。其中，外部偏置電壓等于0V時(shí)，中心頻率等于3.16GHz；外部偏置電壓等于5V時(shí)，中心頻率等于3.39GHz，中心頻率的數(shù)值隨著偏置電壓的升高而呈現(xiàn)同向變化的趨勢(shì)。

圖5 不同偏置電壓下的S21仿真曲線圖

2 可重構(gòu)三頻段濾波器的實(shí)現(xiàn)

基于所提出的三模諧振器結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)并制造了一款可重構(gòu)三頻段帶通濾波器實(shí)物。濾波器具體電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，它包括兩個(gè)以級(jí)聯(lián)形式耦合的三模諧振器單元。圖中有些微帶線是以蜿蜒形式布線的，以減小電路板尺寸。濾波器的電路板厚度為1.1mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.33，總尺寸小于24mm×19mm，或0.16λg×0.13λg，其中λg表示在第一通帶中心頻率處的基板介質(zhì)上的導(dǎo)波波長(zhǎng)。

圖6 三頻段可重構(gòu)帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖

濾波器實(shí)物的機(jī)械尺寸按下列參數(shù)設(shè)定（單位均為毫米）：L0 = 19.5，L1 = 44，L2 = 6，L3 = 12.3，W0 = 2.4，W1 = 1.0，W2 = 1.0，W3 = 1.0，S1 = 0.55，如圖 7 所示。

圖7 濾波器實(shí)物圖

圖8顯示了濾波器的仿真和測(cè)量結(jié)果，它具有兩個(gè)固定的通帶和一個(gè)電壓可調(diào)諧通帶，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

圖8 濾波器仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從圖8可以看出，如果保持短截線的長(zhǎng)度固定不變，濾波器第一通帶中心頻率幾乎恒定在1.45GHz不變，3dB相對(duì)帶寬（FBW）為5.52%；同時(shí)濾波器第二通帶中心頻率固定在2.49GHz不變，3dB相對(duì)帶寬為9.84%。而濾波器第三通帶中心頻率由變?nèi)荻O管的偏置電壓控制。從測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，第三通帶中心頻率可以在3.16-3.39GHz范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，3dB相對(duì)帶寬幾乎恒定保持為2.35%。如圖8（a）所示，在第三通帶的整個(gè)可調(diào)諧范圍內(nèi)，濾波器的插入損耗從2.24到2.46 dB波動(dòng)。相應(yīng)的，如圖8（b）所示，在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)，濾波器的回波損耗優(yōu)于-13dB。另外，所設(shè)計(jì)的三頻帶可重構(gòu)濾波器產(chǎn)生了多個(gè)傳輸零點(diǎn)，這進(jìn)一步提高了濾波器的頻帶選擇性。

3 結(jié)論

本文提出了一種可重構(gòu)的三模諧振器及其在三頻段帶通濾波器中的應(yīng)用。文中給出了詳細(xì)的理論分析，并給出了仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濾波器的第一和第二通帶中心頻率可以分別固定在1.45GHz和2.49GHz。而第三通帶中心頻率可以在3.16至3.39GHz頻率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，相對(duì)調(diào)諧范圍為7.03%，同時(shí)第三通帶的相對(duì)帶寬和通帶形狀幾乎保持不變。此外，濾波器生成了多個(gè)傳輸零點(diǎn)，這進(jìn)一步提高了濾波器的頻道選擇性。該濾波器性能優(yōu)良，調(diào)諧方便，可廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。