基于U形可调耦合环的全可调带通滤波器

刘 威，张忠海

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

完全可调带通滤波器是一种可以同时对通带中心频率和通带带宽进行相对独立调节的带通滤波器。由于其通带带宽和通带中心频率可以同时在一定的频率范围内独立调节，因此，采用全可调滤波器可以有效改善射频接收系统通带中有用信号的接收质量，以及阻带中干扰信号的抑制水平。微带滤波器电路便于集成且易于制造，相较介质滤波器，其体积优势明显，结构的设计方法灵活，可以采用弯折等方式实现电路小型化[1]。现有的全可调滤波器实现方式可归纳为两种类型。第一种类型是在传统可调谐滤波器耦合结构中插入可变电容器从而实现带通的耦合系数调节，进而实现可调滤波器[2-3]。通过这种方法实现的全可调谐滤波器可以通过多个谐振器级联，较容易获得更加陡峭的带外抑制性能。然而，这种方法会增加全可调滤波器的设计复杂度和尺寸，同时也增加其插入损耗。第二种类型是采用具有特殊结构的谐振器实现的全可调谐滤波器[4-6]，具有体积小、成本低的优点。然而，由于其结构的特殊性，很难将多个谐振器进行级联，其带外抑制性能不高。本文以第一种方案为切入点，采用在新型可调滤波耦合结构中插入可变电容的方式制作一种基于U型可调耦合环的全可调滤波器。

1 U型可调耦合环的设计

同轴线工作在横电磁波模式(Transverse Electromagnetic Mode，TEM)中，由其构成的谐振腔振荡模式简单并且场结构稳定，但是，由于同轴线谐振腔为非平面结构，因而不便在要求集成化的平面结构电路中应用。而微带线为平面结构，虽然由于介质基板的存在，纯的横电磁波不能在微带线中单独存在，但介质基板与设计线宽往往较小，在介质与空气的分界面上，电磁波的纵向场分量很小，故称其主模式为准TEM模(quasi-TEM mod)，可利用TEM模式近似分析。另外微带线结构灵活且便于集成，能够弥补同轴线在集成化场景下的不足。本文通过在介质基板上制作金属化孔洞腔壁并使用微带线技术设计了一种新型谐振腔结构，结构工作模式类似同轴线谐振腔，可通过插入可变电容改变谐振中心频率，同时在平面结构制作上也便于集成。

本文设计的可调谐谐振腔的基本结构与λ/4同轴谐振腔具有相似的工作模式，因此，在谐振时，其谐振腔长度l等于λ0/4的奇数倍，即l=(2k-1)λ0/4,(k=1,2,3,…)，由此可得谐振腔的谐振波长λ0与谐振腔长度l的关系为：

(1)

在开路端加载电容时，其开路端加载电容等效电路如图1所示。

图1 开路端加载电容的等效电路

在谐振腔谐振时，参考平面AA′处的电路总电纳应等于0，故满足：

(2)

式中，Z0为传输线特征阻抗，f0为谐振频率，C为加载电容容值，整理式(2)可得电容加载的谐振腔长度：

(3)

可调谐谐振腔结构及其频率响应如图2所示。

图2 可调谐谐振腔的结构及其频率响应

图2(a)中，可调谐谐振腔主要由微带线内导体、金属化腔壁、金属化过孔和可变电容器组成，尺寸参数为：l=77 mm，h=73 mm，W=10 mm，D=3 mm。确定谐振腔的尺寸后，通过改变可调谐电容器的电容Cf，谐振腔的谐振频率可在390～540 MHz之间调节，其谐振频率与Cf之间的关系如图2(b)所示。随着Cf的增大，λ/4同轴谐振器的等效电长度增大，中心谐振减小。

U型可调耦合环的耦合结构如图3(a)所示，可调谐振器谐振中心频率固定在460 MHz，尺寸为：l=77 mm，h=73 mm，W=10 mm，D=3 mm，s=10 mm，h1=30 mm，h2=25 mm。U型耦合环的微带线宽度为1 mm，外壁微带宽度为2 mm，外壁金属化孔直径为1 mm。其耦合性能如图3(b)所示。从图3(a)可以看出：U型可调谐耦合环主要由1个U型环和2个可调谐电容Cc组成。2个可调电容器分别放置在U型环的开口端并连接在2个谐振腔的腔壁上。U型环穿过2个谐振腔之间公共金属化腔壁上的1个窗口实现2个腔体之间的耦合。其中一部分电流通过金属壁与电容Cc进入U型结构，电流产生的磁效应构成谐振腔间耦合的磁耦合部分，U型耦结构与λ/4同轴谐振器平行的枝节之间的电场形成谐振腔间的电耦合。在图3(a)中，可调谐谐振腔的谐振频率调节范围主要由可调谐电容Cf的变化范围决定，腔间耦合系数和可调滤波器的输入/输出Q值主要由耦合电容Cc、谐振器与内导体之间的距离Sc和耦合环的高度h1决定。

图3 U型可调耦合环的结构与耦合性能分析

观察图3(b)中的任意一条曲线的走势可知：随着耦合电容Cc的增大，耦合环U型臂枝节等效电长度增加，使耦合环两侧与谐振腔电场交链增加，从而导致耦合度相应增加，耦合系数随之增大。此外，对比图3(b)的4条曲线，电容Cc在1～7 pF范围内变化时，选择合适的U型环的高度h1，可调谐谐振器之间的耦合系数的变化范围在0.004 2～0.097 0。并且，在一定范围内，随着预先选定的h1高度的增大，耦合环更靠近谐振腔电场分布较大的一端，其两侧与谐振腔电场交链增加，谐振腔间的电耦合贡献增大，于是耦合系数曲线成整体上移的趋势；随着电耦合逐渐占据谐振腔间耦合组成的主要部分，调节电容Cc引起耦合环等效电长度变化时，可以得到更大的耦合系数调节范围。因此，为了得到较大的耦合系数调节范围，耦合环应确定在较高位置。Cc值的变化对谐振频率略有影响，但可以通过对Cf的微调来修正。

输入/输出耦合的结构(腔间耦合结构的一半)及其输入输出Q值性能如图4所示。谐振器的谐振频率固定在460 MHz。输入输出耦合结构的尺寸为：Sfed=0.3 mm，hwall=40 mm，l=77 mm，W=10 mm。输入输出耦合结构的Q值性能如图4(b)所示。由图4(b)可见：馈电线高度hfed在45～60 mm范围内，馈入电容器Cfed在1～7 pF范围内变化时，负载Q值的变化范围在12～73。并且，Q值随着Cfed的增大而减小；同时，在一定范围内，Q的调节范围随预先选定的馈电距离的增大而减小。因此，为得到较大的Q值调节范围，馈电距离应确定在较近的位置。Cfed的变化对谐振频率略有影响，但其影响可以通过对Cf的微调来修正。

图4 输入输出耦合结构与Q值性能分析

2 全可调谐滤波器的设计

采用U型可调耦合环的全可调滤波器的设计分为3步。首先，根据工作范围确定可调谐谐振腔的尺寸、采用的可调谐电容器型号以及方案；其次，根据带宽调谐范围确定腔间耦合结构和输入输出结构的尺寸；最后，对谐振腔、腔间耦合和输入输出耦合结构的尺寸进行微调，以满足性能要求。

为了验证本文提出的U型可调谐耦合环的性能，本文设计、制作一个具有5个谐振器的全可调谐带通滤波器，并使用矢量网络分析仪测量其S参数。全可调滤波器的电路如图5(a)所示，制作完成的滤波器如图5(b)所示。尺寸为：Sfed=0.3 mm，S1=0.3 mm，S2=0.4 mm，l=77 mm，h=74 mm，W=10 mm，D=3 mm，s=10 mm，Sc=10 mm，h1=45 mm，h2=40 mm，hfed=55 mm，hwall=50 mm，Wfed=1.7 mm。

图5 全可调滤波器的电路设计与实物图

可调谐滤波器的基片为介电常数为3.66、厚度为0.762 mm的Rogers 4350B。可调器件(Cf，Cfed，Cc)为由MaCOM Technology生产的Ma46H202。

由图2和图3的分析知，当调节Cf使各谐振腔的谐振中心频率相同时，各级谐振腔的等效电长度随Cf的变化而变化，而谐振中心频率与谐振腔的等效电长度线性相关。因此，可以通过调节Cf来调节滤波器的工作中心频率；当调节Cf使各谐振腔的谐振中心频率不同时，通过调节可变电容Cc来改变耦合系数使各谐振腔的通带相互耦合，由此得到不同的通带宽度。

为了使整个全可调谐滤波器保持良好的插入损耗性能，可调谐电容Cf和Cc的值选择在0.5～4 pF内调节，通过几个并联的变容二极管实现1～7 pF甚至更大范围的电容器调谐，从而实现更宽的频率调谐范围。对于调节带宽时引入的插入损耗，可以通过调节馈电电容Cfed影响Q值来抵消，可调谐谐振器的无负载Q值大于50。

本文分别采用HFSS和RS-ZVB4网络分析仪对设计的全可调滤波器进行仿真和测量。仿真和测量的频率响应如图6所示，其中，图6(a)仿真电容值为：Cf1=6.33 pF，Cf2=6.56 pF，Cf3=6.61 pF，Cc1=4.87 pF，Cc2=5.10 pF，Cfed=1.93 pF；图6(b)仿真电容值为：Cf1=3.94 pF，Cf2=4.06 pF，Cf3=4.11 pF，Cc1=4.87 pF，Cc2=5.10 pF，Cfed=1.93 pF；图6(c)仿真电容值为：Cf1=0.97 pF，Cf2=1.14 pF，Cf3=1.22 pF，Cc1=4.87 pF，Cc2=5.10 pF，Cfed=1.93 pF。由图6(a)—(c)可知，全可调带通滤波器的通带中心谐振频率调谐范围为400～530 MHz，其插入损耗小于2.0 dB；图6(d)中，通带的带宽在6～16 MHz之间调节时，其插入损耗保持在1.8～3.5 dB，说明测量结果与仿真结果保持较好的吻合。

图6 仿真和测量完全可调滤波器的频率响应

将本文设计的可调滤波器与引言中提到的第一类方法设计的全可调滤波器进行对比，结果如表1所示。由表1可以发现：使用U型可调耦合环设计的可调滤波器在减小插入损耗方面的表现良好，在一定程度上克服了使用第一类设计方法时插入损耗大的缺点。

表1 可调滤波器性能对比

3 结束语

本文提出一种基于U型可调耦合环的全可调带通滤波器，带宽与中心频率可独立调节，测试结果与仿真结果一致，证明所提出的设计方法具有可行性。同其他研究工作相比，使用U型可调耦合环设计的滤波器不仅便于通过多级级联获得更好的带外抑制性能，而且不会引入额外的插入损耗。此外，U型环结构简单，便于制作调节，适用于其他频段范围的可调滤波器，具有广泛的工程应用价值。本设计亦可结合低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)技术进一步小型化。