陸雪杰，張忠海，張海鵬

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.上饒師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，江西 上饒 334001)

0 引 言

可調(diào)諧濾波器是可重構(gòu)射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其性能影響整個系統(tǒng)運行的質(zhì)量，同時濾波器的大小決定了通信設(shè)備的尺寸。一般采用彎折以及在傳輸線開路端加載可調(diào)諧器件等方式來減小可調(diào)諧諧振器的尺寸，從而實現(xiàn)可調(diào)諧濾波器電路的小型化[1]。可調(diào)諧器件的頻率調(diào)諧主要采用硅基和GaAs基可調(diào)電容[2]、pin二極管[3]、鐵電二極管[4]及射頻微機電系統(tǒng)(RF-MEMS)設(shè)備[5]等方法。良好的帶外抑制性能保證了可調(diào)諧濾波器對帶外干擾信號的高效抑制。因此，可調(diào)諧濾波器帶外抑制性能的改善是研究可調(diào)諧濾波器的一個重要方向。一般采用2種方法來改善可調(diào)諧濾波器的帶外抑制性能。一是將多個諧振器進行級聯(lián)，通過增加諧振單元的數(shù)量來改善濾波器的帶外抑制性能[6-7]。這種方法實現(xiàn)的可調(diào)諧濾波器的電路尺寸較大，同時增加了通帶的插入損耗。二是在帶外增加傳輸零點，目前常用的有2種方法。一是采用交叉耦合技術(shù)[8-9]。文獻[9]在一般抽頭式梳狀線濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過增加輸入輸出級之間的交叉耦合，在高頻端引入1個傳輸零點，提高了帶外抑制，但在低頻端會產(chǎn)生不對稱的傳輸響應(yīng)和較差的頻率選擇特性。二是在源與負(fù)載之間引入容性耦合或者感性耦合[10-11]。文獻[11]在支節(jié)加載的雙模濾波器的源與負(fù)載之間的間隙引入容性耦合，在終端引入短路的高阻抗線，實現(xiàn)了源與負(fù)載間的感性耦合，使得臨近通帶兩側(cè)的阻帶產(chǎn)生傳輸零點，從而改善濾波器的帶外抑制特性，但感性耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)雜，且實現(xiàn)傳輸零點的調(diào)諧比較困難。本文設(shè)計了一種基于U型諧振器的傳輸零點可調(diào)的可調(diào)濾波器，在可調(diào)諧濾波器的輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)中引入LC并聯(lián)諧振回路，得到可調(diào)諧濾波器的通帶帶外傳輸零點，并通過調(diào)諧LC并聯(lián)回路實現(xiàn)傳輸零點的位置可調(diào)。

1 基于U型諧振器的改進型輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 經(jīng)典U型諧振器輸入輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于經(jīng)典U型諧振器、輸入輸出耦合可調(diào)諧的可調(diào)濾波器的輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)由可調(diào)電容Cfedc1和Cfedc2和一段較短傳輸線構(gòu)成。Cfedc1和Cfedc2串聯(lián)，構(gòu)成1個阻抗分壓網(wǎng)絡(luò)，對輸入的射頻信號具有分壓效果。固定Cfedc2的容值，通過調(diào)節(jié)Cfedc1的容值和饋電點的接入位置hfed來調(diào)節(jié)外部有載品質(zhì)因數(shù)Q值。輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的外部Q值性能如圖1(b)所示。

圖1 經(jīng)典U型諧振器的可調(diào)濾波器的輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)與外部Q值關(guān)系

從圖1(b)可以看出，經(jīng)典U型諧振器的可調(diào)濾波器的饋電方式在通帶兩側(cè)不會產(chǎn)生傳輸零點，因此，不能改善其帶外抑制性能。

1.2 改進型輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

改進型輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)及帶外抑制性能如圖2所示，在經(jīng)典輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的可調(diào)電容Cfedc1處并聯(lián)一個高Q值的電感Lind，從而形成可調(diào)諧并聯(lián)回路[12]，結(jié)構(gòu)如圖2(a)虛線部分所示。選擇合適的電感，通過對輸入輸出端的可調(diào)電容Cfedc1進行調(diào)諧，從而實現(xiàn)帶外傳輸零點可調(diào)。圖2(b)給出了加入傳輸零點前后，帶外抑制的改善效果對比。從圖2(b)可以看出，采用改進后的輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)，在不改變?yōu)V波器的中心頻率以及帶寬等性能的前提下，其帶外抑制性能有明顯的改善。

圖2 改進型輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)及性能對比

1.3 可調(diào)諧U型諧振器分析與設(shè)計

可調(diào)諧U型諧振器主要由U型開口環(huán)諧振器以及加載在開口環(huán)處的可調(diào)電容組成。諧振器的諧振頻率主要通過跨接在開環(huán)諧振器縫隙上的可調(diào)電容Cf來調(diào)節(jié)。本文設(shè)計的可調(diào)濾波器的諧振器結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，諧振器的各部分尺寸參數(shù)為：D=1.0 mm，w=10.5 mm，l=31.0 mm，s=4.5 mm。諧振頻率隨可調(diào)電容容值得變化曲線如圖3(b)所示。從圖3(b)可以看出，電容Cf在1～10 pF范圍內(nèi)變化時，諧振器的諧振頻率變化范圍為280～730 MHz。在實際電路測試中，由于可調(diào)諧器件的限制，選用的可調(diào)電容Cf的取值在3～10 pF，故實際的可調(diào)諧諧振器工作范圍為280～540 MHz。

圖3 可調(diào)諧U型諧振器的結(jié)構(gòu)及其頻率性能

1.4 可調(diào)諧U型諧振器耦合結(jié)構(gòu)分析

可調(diào)諧U型諧振器之間通過縫隙進行耦合，耦合結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。耦合結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)由2個諧振器之間的間距Sc決定的。耦合系數(shù)k與Sc之間的關(guān)系曲線如圖4(b)所示。從圖4(b)可以看出，諧振器之間距離范圍為0.2～1.0 mm時，可調(diào)諧諧振器之間的耦合系數(shù)的變化范圍為0.061～0.132，隨著諧振器之間距離的增加，耦合系數(shù)減小，所實現(xiàn)的濾波器帶寬減小。

圖4 可調(diào)諧U型諧振器的耦合結(jié)構(gòu)及其耦合性能

2 可調(diào)濾波器的設(shè)計

在本文設(shè)計中，先通過可調(diào)諧濾波器指標(biāo)需求來提取相應(yīng)的耦合矩陣，再通過耦合矩陣中諧振頻率、耦合系數(shù)及輸入輸出有載Q值，根據(jù)圖1—4的計算結(jié)果提取可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸作為初值，最后通過對尺寸的優(yōu)化來實現(xiàn)可調(diào)諧濾波器。具體分為4個步驟：(1)根據(jù)所需的中心頻率范圍確定可調(diào)諧諧振器的尺寸，并根據(jù)可調(diào)電容所需的容值范圍確定可調(diào)電容的型號；(2)根據(jù)帶寬調(diào)諧范圍確定諧振器之間的耦合間距和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的饋電點位置；(3)根據(jù)性能仿真結(jié)果確定輸入輸出并聯(lián)諧振回路部分的電容電感初值；(4)對可調(diào)諧振器之間的間隔和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的尺寸進行微調(diào)，以滿足性能的要求。

為了驗證可調(diào)濾波器的性能，本文設(shè)計了一個具有3個諧振器的可調(diào)諧帶通濾波器，并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其S參數(shù)。傳輸零點可調(diào)的可調(diào)帶通濾波器的電路如圖5(a)所示，制作完成的濾波器如圖5(b)所示。各部分的尺寸為：D=1.0 mm，l=31.0 mm，w=10.5 mm，hfed=29.6 mm，s=4.5 mm，Sc=0.4 mm，Lind=10 nH?？烧{(diào)諧濾波器使用Fr4介質(zhì)基板，介電常數(shù)為4.4，損耗正切角為0.02，厚度為1 mm。其中，用于調(diào)諧諧振頻率的可調(diào)電容C1和C2、用于調(diào)諧諧振器的外部零點及輸入輸出耦合的外部Q值的可調(diào)電容Cfedc1和Cfedc2均為貼片可變電容3×4微調(diào)變?nèi)萜鳌?/p>

由圖3的分析可知，當(dāng)U型諧振器的長度固定時，通過調(diào)節(jié)Cf來調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率。在微波仿真軟件AWR Microwave Office中搭建2個完全相同的電路圖，確定調(diào)節(jié)中心頻率所需的電容容值范圍，將一個電路圖中的電容固定到所需電容容值的最大值，同時將另一個電路圖中的電容固定到所需電容容值的最小值，通過改變諧振器的長度來調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率；當(dāng)諧振器的長度固定時，調(diào)節(jié)可變電容Cf以及微調(diào)諧振器之間的距離Sc，得到所需的諧振頻率可調(diào)范圍。由圖1、圖2的分析可知，在經(jīng)典輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的可調(diào)電容Cfedc1處并聯(lián)一個高Q值的電感Lind，可以形成可調(diào)諧并聯(lián)回路。通過改變電感值Lind并將其固定，再調(diào)節(jié)輸入輸出端的可調(diào)電容Cfedc1，使得帶外傳輸零點調(diào)諧范圍最大。

圖5 可調(diào)諧濾波器的電路圖及實物圖

分別采用三維平面電磁場仿真工具sonnet和RS-ZVB4網(wǎng)絡(luò)分析儀對設(shè)計的可調(diào)濾波器進行仿真和測量，零點可調(diào)諧濾波器的測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 零點可調(diào)諧濾波器的測量結(jié)果

圖6(a)為零點1的測量結(jié)果，零點1的調(diào)諧范圍為590～666 MHz，其插入損耗小于3.5 dB；圖6(b)為零點2的測量結(jié)果，零點2的調(diào)諧范圍為245～310 MHz，其插入損耗小于3.5 dB。仿真和測量的頻率響應(yīng)如圖7所示。圖7中，可調(diào)帶通濾波器的通帶中心諧振頻率范圍為290～540 MHz，其插入損耗小于3.5 dB。從圖7可以看出，測量結(jié)果與仿真結(jié)果保持較好的吻合。

圖7 可調(diào)濾波器的頻率響應(yīng)

將本文設(shè)計的可調(diào)濾波器與文獻[13]、文獻[14]及文獻[15]等同類型的零點可調(diào)濾波器進行對比，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：本文設(shè)計的傳輸零點可調(diào)的可調(diào)帶通濾波器在減小插入損耗方面的表現(xiàn)良好，在一定程度上克服了使用上述同類型方法時插入損耗大的缺點。

表1 可調(diào)濾波器性能對比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計一種基于U型諧振器的可調(diào)帶通濾波器。通過對輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的改進，改善了可調(diào)諧濾波器的帶外抑制性能，同時為輸入輸出有載Q值的性能調(diào)解提供了一種額外途徑。但是，本文設(shè)計的可調(diào)帶通濾波器的零點及中心頻率調(diào)諧范圍不夠大，下一步將繼續(xù)改進濾波器結(jié)構(gòu)，使得濾波器的調(diào)諧范圍更廣。