一种传输零点可调谐的可调带通滤波器

2021-06-23陆雪杰张忠海张海鹏

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2021年3期

陆雪杰，张忠海，张海鹏

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州 310018；2.上饶师范学院物理与电子信息学院，江西上饶 334001)

0 引言

可调谐滤波器是可重构射频系统的关键器件，其性能影响整个系统运行的质量，同时滤波器的大小决定了通信设备的尺寸。一般采用弯折以及在传输线开路端加载可调谐器件等方式来减小可调谐谐振器的尺寸，从而实现可调谐滤波器电路的小型化[1]。可调谐器件的频率调谐主要采用硅基和GaAs基可调电容[2]、pin二极管[3]、铁电二极管[4]及射频微机电系统(RF-MEMS)设备[5]等方法。良好的带外抑制性能保证了可调谐滤波器对带外干扰信号的高效抑制。因此，可调谐滤波器带外抑制性能的改善是研究可调谐滤波器的一个重要方向。一般采用2种方法来改善可调谐滤波器的带外抑制性能。一是将多个谐振器进行级联，通过增加谐振单元的数量来改善滤波器的带外抑制性能[6-7]。这种方法实现的可调谐滤波器的电路尺寸较大，同时增加了通带的插入损耗。二是在带外增加传输零点，目前常用的有2种方法。一是采用交叉耦合技术[8-9]。文献[9]在一般抽头式梳状线滤波器设计的基础上，通过增加输入输出级之间的交叉耦合，在高频端引入1个传输零点，提高了带外抑制，但在低频端会产生不对称的传输响应和较差的频率选择特性。二是在源与负载之间引入容性耦合或者感性耦合[10-11]。文献[11]在支节加载的双模滤波器的源与负载之间的间隙引入容性耦合，在终端引入短路的高阻抗线，实现了源与负载间的感性耦合，使得临近通带两侧的阻带产生传输零点，从而改善滤波器的带外抑制特性，但感性耦合结构的设计复杂，且实现传输零点的调谐比较困难。本文设计了一种基于U型谐振器的传输零点可调的可调滤波器，在可调谐滤波器的输入输出耦合结构中引入LC并联谐振回路，得到可调谐滤波器的通带带外传输零点，并通过调谐LC并联回路实现传输零点的位置可调。

1 基于U型谐振器的改进型输入输出耦合结构设计

1.1 经典U型谐振器输入输出结构设计

基于经典U型谐振器、输入输出耦合可调谐的可调滤波器的输入输出耦合结构如图1(a)所示，输入输出耦合结构由可调电容Cfedc1和Cfedc2和一段较短传输线构成。Cfedc1和Cfedc2串联，构成1个阻抗分压网络，对输入的射频信号具有分压效果。固定Cfedc2的容值，通过调节Cfedc1的容值和馈电点的接入位置hfed来调节外部有载品质因数Q值。输入输出耦合结构的外部Q值性能如图1(b)所示。

图1 经典U型谐振器的可调滤波器的输入输出耦合结构与外部Q值关系

从图1(b)可以看出，经典U型谐振器的可调滤波器的馈电方式在通带两侧不会产生传输零点，因此，不能改善其带外抑制性能。

1.2 改进型输入输出耦合结构设计

改进型输入输出耦合结构及带外抑制性能如图2所示，在经典输入输出耦合结构的可调电容Cfedc1处并联一个高Q值的电感Lind，从而形成可调谐并联回路[12]，结构如图2(a)虚线部分所示。选择合适的电感，通过对输入输出端的可调电容Cfedc1进行调谐，从而实现带外传输零点可调。图2(b)给出了加入传输零点前后，带外抑制的改善效果对比。从图2(b)可以看出，采用改进后的输入输出耦合结构，在不改变滤波器的中心频率以及带宽等性能的前提下，其带外抑制性能有明显的改善。

图2 改进型输入输出耦合结构及性能对比

1.3 可调谐U型谐振器分析与设计

可调谐U型谐振器主要由U型开口环谐振器以及加载在开口环处的可调电容组成。谐振器的谐振频率主要通过跨接在开环谐振器缝隙上的可调电容Cf来调节。本文设计的可调滤波器的谐振器结构如图3(a)所示，谐振器的各部分尺寸参数为：D=1.0 mm，w=10.5 mm，l=31.0 mm，s=4.5 mm。谐振频率随可调电容容值得变化曲线如图3(b)所示。从图3(b)可以看出，电容Cf在1～10 pF范围内变化时，谐振器的谐振频率变化范围为280～730 MHz。在实际电路测试中，由于可调谐器件的限制，选用的可调电容Cf的取值在3～10 pF，故实际的可调谐谐振器工作范围为280～540 MHz。

图3 可调谐U型谐振器的结构及其频率性能

1.4 可调谐U型谐振器耦合结构分析

可调谐U型谐振器之间通过缝隙进行耦合，耦合结构如图4(a)所示。耦合结构的耦合系数由2个谐振器之间的间距Sc决定的。耦合系数k与Sc之间的关系曲线如图4(b)所示。从图4(b)可以看出，谐振器之间距离范围为0.2～1.0 mm时，可调谐谐振器之间的耦合系数的变化范围为0.061～0.132，随着谐振器之间距离的增加，耦合系数减小，所实现的滤波器带宽减小。

图4 可调谐U型谐振器的耦合结构及其耦合性能

2 可调滤波器的设计

在本文设计中，先通过可调谐滤波器指标需求来提取相应的耦合矩阵，再通过耦合矩阵中谐振频率、耦合系数及输入输出有载Q值，根据图1—4的计算结果提取可调谐滤波器的结构尺寸作为初值，最后通过对尺寸的优化来实现可调谐滤波器。具体分为4个步骤：(1)根据所需的中心频率范围确定可调谐谐振器的尺寸，并根据可调电容所需的容值范围确定可调电容的型号；(2)根据带宽调谐范围确定谐振器之间的耦合间距和输入输出耦合结构的馈电点位置；(3)根据性能仿真结果确定输入输出并联谐振回路部分的电容电感初值；(4)对可调谐振器之间的间隔和输入输出耦合结构的尺寸进行微调，以满足性能的要求。

为了验证可调滤波器的性能，本文设计了一个具有3个谐振器的可调谐带通滤波器，并使用矢量网络分析仪测量其S参数。传输零点可调的可调带通滤波器的电路如图5(a)所示，制作完成的滤波器如图5(b)所示。各部分的尺寸为：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。可调谐滤波器使用Fr4介质基板，介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，厚度为1 mm。其中，用于调谐谐振频率的可调电容C1和C2、用于调谐谐振器的外部零点及输入输出耦合的外部Q值的可调电容Cfedc1和Cfedc2均为贴片可变电容3×4微调变容器。

由图3的分析可知，当U型谐振器的长度固定时，通过调节Cf来调节滤波器的中心频率。在微波仿真软件AWR Microwave Office中搭建2个完全相同的电路图，确定调节中心频率所需的电容容值范围，将一个电路图中的电容固定到所需电容容值的最大值，同时将另一个电路图中的电容固定到所需电容容值的最小值，通过改变谐振器的长度来调节滤波器的中心频率；当谐振器的长度固定时，调节可变电容Cf以及微调谐振器之间的距离Sc，得到所需的谐振频率可调范围。由图1、图2的分析可知，在经典输入输出耦合结构的可调电容Cfedc1处并联一个高Q值的电感Lind，可以形成可调谐并联回路。通过改变电感值Lind并将其固定，再调节输入输出端的可调电容Cfedc1，使得带外传输零点调谐范围最大。

图5 可调谐滤波器的电路图及实物图

分别采用三维平面电磁场仿真工具sonnet和RS-ZVB4网络分析仪对设计的可调滤波器进行仿真和测量，零点可调谐滤波器的测量结果如图6所示。

图6 零点可调谐滤波器的测量结果

图6(a)为零点1的测量结果，零点1的调谐范围为590～666 MHz，其插入损耗小于3.5 dB；图6(b)为零点2的测量结果，零点2的调谐范围为245～310 MHz，其插入损耗小于3.5 dB。仿真和测量的频率响应如图7所示。图7中，可调带通滤波器的通带中心谐振频率范围为290～540 MHz，其插入损耗小于3.5 dB。从图7可以看出，测量结果与仿真结果保持较好的吻合。