高选择性吸收式可调带阻滤波器的研究

张 程,耿军平,金荣洪,梁仙灵

(上海交通大学电子工程系,上海 200240)

工程与应用

高选择性吸收式可调带阻滤波器的研究

张 程,耿军平,金荣洪,梁仙灵

(上海交通大学电子工程系,上海 200240)

该研究利用耦合相消原理设计了一种吸收式可调带阻滤波器。在传统耦合相消结构的基础上,提出了一种新的结构,通过增加耦合结构的阶数以及增大耦合支路中谐振器的电长度,使得滤波器阻带特性的Q值增大,从而提高了滤波器的选择性。通过调节加载在谐振器上变容二极管的偏置电压,实现滤波器带阻中心频率可调。并对实测结果和仿真结果进行了探讨。

吸收式带阻滤波器；高选择性；可调带阻滤波器

0 引 言

随着无线通信的飞速发展，频谱拥挤的问题日益突出。为了提高频谱利用率，跳频、动态频率分配等技术得到广泛的应用。采用这些技术的可重构系统和多功能接收机等通信系统逐渐成为研究热点[1]。可调滤波器作为这些系统中的关键器件，因其易于控制、结构简单、成本低等突出优点而越来越受到重视。传统的可调带阻滤波器一般都是反射式的，这就意味着阻带抑制的信号能量会通过滤波器反射回来[2]。然而，当滤波器用于抑制功率放大器的高次谐波时，反射回去的信号能量会使功率放大器的稳定性下降，尤其在功放的设计中，稳定性是衡量功放设计优劣的重要指标之一[3]。

近年来，为了克服上述应用限制，能够吸收阻带反射信号的吸收式带阻滤波器受到关注[4-6]。文献[4]提出了利用多路无源互耦线性网络设计的吸收式可调带阻滤波器。该滤波器能够实现阻带抑制水平可调，从而能够改变接收信号的强弱。同时，该滤波器在调试范围内能够使其阻带-3 dB带宽保持在350 MHz不变，相对带宽约为17.5%。文献[5]在此基础上，提出利用具有高Q值的基片集成波导（SIW）结构以及同样具有高Q值的MEMS可变电容来实现滤波器的高选择性和中心频率可调。然而，由于SIW的运用，导致该滤波器具有双层结构，滤波器的实现结构相对较复杂。文献[6]中提出了一种结构相对比较简单的单层吸收式可调带阻滤波器。该滤波器采用集总可调元件实现，其工作频率范围在470 MHz-730 MHz，其-3 dB带宽约为30 MHz，相对带宽约为5%。但该滤波器吸收式特性不明显。文献[7]中首次尝试使用片上工艺设计吸收式可调带阻滤波器，并且在其工作的2.9 GHz-4.3 GHz频率范围内，最大阻带抑制可达45 dB。然而，其-3 dB带宽约为330 MHz，相对带宽约为9%。

研究提出了一种新的吸收式可调带阻滤波器的结构。通过对加载变容二极管的谐振器分析，结合耦合相消原理，利用吸收式产生原理实现了滤波器的吸收式可调带阻特性；通过改进电路耦合结构以及谐振器的结构，增大了滤波器阻带特性的Q值，使得滤波器的选择性进一步提高。

1 原理分析与结构设计

吸收式可调带阻滤波器的结构示意图如图1所示。该结构通过C1处的耦合结构分成如图所示标为1、2的两条支路，其中支路1是提供相移Φ的全通路径；支路2是包含耦合结构C2的耦合路径。两条支路在耦合结构C3处汇合。当支路1提供的相移Φ为90◦时，信号经支路1和支路2到达输出端时，由于两路信号同幅反相，因而产生带陷特性[8]。在耦合结构C2的两个谐振器下端分别加载两个接地变容二极管。变容二极管的等效电路一般是由电阻RS（V）、等效结电容CJ（V）以及电感LS三部分串联而成。其中，串联电阻RS（V）和等效结电容CJ（V）的值都随着反向偏置电压大小的不同而改变。

将图1中虚线区域3所包含的谐振器提取出来，如图2所示。取谐振器参与C1和C2处耦合结构的两段微带线的特征阻抗为ZR，电长度分别为θ1和 θ2。为了分析简便，将变容二极管近似等效为值为CT（V）的电容。Zin1和Zin2分别是从C1和C2处耦合结构的中间位置向开路端和接地端看去的输入阻抗。

图1 吸收式可调带阻滤波器结构示意图

图2 谐振器谐振分析示意图

图2中谐振器的谐振条件为:

其中:

将（2）、（3）两式代入到（1）中可得:

由式（4）可以得出:当谐振器长度一定时，通过调节偏置电压，改变接入谐振器中变容二极管容值CT（V）的大小，可以使谐振器的谐振中心频率发生改变，从而实现滤波器带阻中心频率可调。另外，在谐振频率点上，将终端阻抗通过耦合结构匹配到有耗谐振器阻抗上，信号功率则会耗散在有耗谐振器上，从而产生吸收式特性，而不是被反射回去[9]。因此，在图1所示的结构中，被反射的阻带信号大部分能量会耗散在变容二极管的串联电阻RS（V）上。同时，通过对滤波器结构的仿真优化寻找到最佳设计参数，以此增加阻带信号的吸收。

图3 高选择性吸收式可调带阻滤波器的结构图

结合上述原理，高选择性吸收式可调带阻滤波器的结构示意图如图3所示。对比图1，L1、L2以及两条L3构成通路1，其中L1和L2作为相移网络；L4和L5是四分之三倍波长谐振器，通过L4和主传输线耦合，对应图1中C1和C3处的耦合结构；对称的两组L6和L7构成通路2中C2处的四阶耦合结构，L6末端加载接地的变容二极管，L7是接地的四分之三倍波长谐振器；L8和扇形结构L9构成偏置电路。采用增加耦合结构的阶数以及增长谐振器电长度的改进方法，使得带陷特性Q值提高，阻带带宽变窄，从而在保证滤波器吸收式特性以及较深阻带抑制的前提下，提高吸收式可调带阻滤波器的频率选择性。采用二阶耦合结构和1/4倍波长谐振器与采用四阶耦合结构和3/4倍波长谐振器的两种吸收式可调带阻滤波器结构的Q值对比情况如表1所示。

表1 改进结构前后Q值大小对比

2 仿真与测试

表2 高选择性吸收式可调带阻滤波器结构的几何尺寸

图4 高选择性吸收式可调带阻滤波器的实物照片

对所加工的滤波器进行测试，测试采用的是Agilent矢量网络分析仪E8361C。当加在变容二极管上的外部偏置电压为6.4V时，对应的电容值C= 0.25 pF。实测结果和仿真结果对比，如图5所示可以得出，在阻带抑制水平达18.2 dB的同时，滤波器的回波系数大于15 dB。另外，滤波器的阻带中心频率为5.27 GHz，其-3 dB带宽约为130 MHz，相对带宽约为2.47%。滤波器通带内的插入损耗约为0.44 dB，稍差于仿真结果，这可能是与SMA接头的不连续性以及加工误差有关。

图5 偏置电压为6.4V时，滤波器实测和仿真结果对比

3 调谐结果与讨论

调节偏置电压的大小，变容二极管的电容大小随之变化，使得滤波器的带阻中心频率改变，从而可以进一步了解可调滤波器在调谐特性。如图6所示的是在4.6 V、6.4 V、9.3 V、15.1 V以及20 V这五个不同偏置电压下测试所得的结果。随着偏置电压的改变，带阻滤波器的中心频率在5.17 GHz到5.56 GHz内变化；如图6（a）插入损耗值都能保持在15 dB以上。另外，随着中心频率的改变，各组插入损耗曲线的-3 dB带宽在120~140 MHz之间。由图6（b）的各组曲线可以看出，五组曲线趋势基本一致。在调试区间内，带阻滤波器的各组回波损耗都大于10 dB，体现出滤波器的吸收式特性。然而，在不同偏置电压下，滤波器的插入损耗和回波损耗所对应的测试结果有所变化，这与变容二极管的串联电阻是外加偏置电压的函数有关。在不同的偏置电压下，变容二极管的串联阻值不同，因而能量耗散的情形也不相同。

图6 加载不同偏置电压时，滤波器的测试结果

将图6中的不同偏置电压下的滤波器性能测试数据进行整理，结果如表3所示。由该表可以看出，所设计的滤波器在调谐范围内，其-3 dB相对带宽基本保持在2.4%左右。

为了直观反映所提出的改进结构后的滤波器的吸收式特性、选择性及其他特性，将近年来提出的同类滤波器与所设计的滤波器的性能参数通过表格的形式进行对比，如表4所示。可知，相比于所列文献给出的滤波器，本文中的滤波器，在保持实现结构、设计工艺简单，吸收式特性明显的前提下，其-3 dB相对带宽最小仅为2.32%，相比其他文献中的吸收式可调带阻滤波器的在带宽方面的选择性有了一定的提高。

表3 不同偏置电压下，实测结果对应的滤波器性能数据

表4 不同结构的吸收式可调带阻滤波器性能比较

4 结 语

研究主要针对高选择性吸收式可调带阻滤波器展开。通过对加载变容二极管的谐振器分析，结合耦合相消原理，利用吸收式产生原理实现了滤波器的吸收式可调带阻特性；通过改进电路耦合结构以及谐振器的结构，增大了滤波器阻带特性的Q值，提高了滤波器的选择性。加工了所设计的吸收式可调带阻滤波器，实测结果和仿真结果基本一致。滤波器在通带内插损值约为0.44 dB。在阻带抑制大于15 dB的基础上，回波损耗保持在10 dB以上，体现出其良好的吸收式特性。在可调范围内，滤波器的-3 dB最小带宽为120 MHz，-3 dB相对带宽最小约为2.32%，反应出滤波器具有高选择性。

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张 程(1990—),男,安徽芜湖人,硕士研究生,主要研究方向为射频微波电路、滤波器设计；

E-mail：zcfgrtf@sjtu.edu.cn

耿军平(1972—),男,陕西宝鸡人,副教授,主要研究方向为电磁场理论及现代天线技术,电磁计算方法,信号处理等；

金荣洪(1963—),男,江苏无锡人,教授、博士生导师,主要研究方向为电磁场理论、现代天线技术、电磁计算方法、天线信号处理、智能天线及相控阵天线等；

梁仙灵(1978—),男,浙江台州人,副教授,主要研究方向为电磁场理论、现代天线技术等。

Research of the High Selectivity Absorptive Tunable Bandstop Filter

ZHANG Cheng，GENG Jun-ping，JIN Rong-hong，LIANG Xian-ling
（Shanghai Jiaotong University，Department of Electrical Engineering，Shanghai200240）

Combining with coupling cancellation principle，an absorptive tunable bandstop filter（BSF）is designed in this paper.Based on the traditional structure of the coupling cancellation，the filter with high quality-Factor can be acquired by increasing the order of coupling structure and the electrical length of the resonators in coupling branch.Then，the selectivity of the filter is increased.The center frequencies of the BSF is tunable by adjusting the bias voltage value of the variable capacitance diodes in the resonators.The insert loss of the filter is less than 0.44dB.In the stopband range，the return loss ismore than 10 dB，while the stopband rejection maintains 15 dB，and the absorptive feature is demonstrated. Over the tuning range 5.17 GHz-5.56 GHz，theminimum-3 dB bandwidth is120 MHz and theminimum-3 dB stopband fractional bandwidth is2.32%，and high selectivity of the filter is achieved.Good agreement between measured and simulated frequency responses can be obtained.

Absorptive bandstop filter；High selectivity；tunable bandstop filter.

TN713

A

1673-5692（2015）02-175-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.011

2015-01-26

2015-03-11

国家重大专项（2011ZX03001-007-03），国家自然科学基金（61201058，61471240），上海市教育委员会科研创新项目（12Z112030001），教育部留学回国人员科研启动基金，SMC-晨星优秀青年教师计划。