一种宽带梳状线电调滤波器的设计

张薇薇，杨怿菲

（西安邮电大学电子工程学院，西安710121）

一种宽带梳状线电调滤波器的设计

张薇薇，杨怿菲

（西安邮电大学电子工程学院，西安710121）

提出了一种宽带梳妆线电调滤波器的设计方法，采用四阶变容管加载终端短路式，滤波器输入端配有单级自偏中放电路，在带内起伏较小且在频率低端的损耗也较小。经过测试表明，该滤波器的工作频段为668.6 MHz～1 300 MHz，插损小于6 dB，3 dB带宽小于5%，矩形系数为5时，阻带抑制为45 dB。

电调滤波器，梳状线，变容管

0 引言

电调滤波器是通信系统中的关键部件［1］，通常需要使用滤波器从各种信号中滤除干扰、提取有用信号。由于电调滤波器的中心频率可调，规定频率的信号能够通过器件，而规定频率信号以外的能量被反射，从而实现了无数个频率选择的功能。电调滤波器反应速度快，且采用梳妆线结构可以实现小型化。目前市场上的电调滤波器主要存在可调带宽窄、频率小于1 G、可靠性差等问题，如何解决这些问题是当前研究人员要解决的首要问题。文献［2-4］介绍的电调滤波器设计方法复杂，可调范围窄，且插损较大。本文在梳状线电调滤波器原理的基础上，采用四阶变容管加载终端短路式，滤波器输入端配有单级自偏中放电路，设计出一种可调频率范围宽、插损小、可靠性好、信号接收范围大的电调滤波器。

1 电调滤波器的基本原理

电调滤波器的主要思想通过改变控制谐振器频率的电容或电感来实现滤波器可调或着重构。现代系统的发展需要调谐速度超过1 GHz/μs，必须采用变容管调谐技术。变容管二极管就是一个PN结，当反向电压变化时，它的电容也随之变化。一般的电调滤波器是通过改变谐振器的等效电容而改变其谐振频率，通常是将变容二极管加在谐振器的主通路上或者枝节上以改变谐振器的谐振频率，实现中心频率的可调。变容二极管是设计电调滤波器常用的电调谐元件［5］。

变容管的等效电路如下页图1所示。

LS引线电感，CV为结电容，RS为变容二极管等效串联电阻。

图1 变容管的等效电路

变容管的结电容随反偏电压而变化，当变容管接连谐振电路或元件，电容的变化改变谐振频率［6］。当带通滤波器中电容元件在一定的范围内变化，滤波器仍能保持良好的带通特性且通带中心频率相应地改变时，用变容管取代电容，可实现滤波器带通特性的调谐。在较低频率，滤波器采用集总参数，电路尺寸显著缩小；由于集总参数元件在较高频率的应用受到限制，在较高频率还要考虑分布参数滤波结构［7］。本文选用变容管加载终端短路式梳状线滤波器的结构如图2所示。

图2 变容管加载终端短路式梳状线滤波器

梳妆线电调滤波器的谐振器是由一端短路、一端经过一个可调电容的平行耦合线组成。如图2所示，谐振器的耦合大小是由平行微带线间的边缘场决定［8］。梳状线传输线式带通滤波器的设计采用传统方法精度较差，必须采用CAD来提高准确性。

当改变串联的电容值时，滤波器的中心频率也会跟着发生变化，在一定的频率范围内平移达到调谐的目的［9］。但是改变电容的同时也会改变谐振器间的耦合系数，从而滤波器的性能会受到影响。选择合适的电长度θ使得在调谐电容时滤波器在一定频带内性能保持不变是设计的难点［10］。

2 电调滤波器的设计

2.1 变容管加载终端短路式梳状线滤波器的设计

因为在频率的低端，获得所需的高阻带抑制相对较难，如果频率可调范围为f1～f2，取其几何平均值为f0，即

令

式中，ΔBL为可调频率范围内通带带宽（插损LdB），ΔBLn为ΔBL的归一化，θ为微带线电长度，Γ为最大时θmax≈53°。由式（4）得

由ΔBL0进而确定滤波器的阶数，可调频率和可变电容间满足下式:

由式（8）知最小的可变电容对应最大的可调频率，最大的可变电容对应最小的可调频率，令f1、f2对应的可变电容为Cs01、Cs02，则有

如Za=32 Ω，则Cs0=4.18 pf，Cs的可变范围应覆盖9.24 pf～1.47 pf（变比大于6.3）。

此外还考虑到若阶数过大，带外抑制会改善但会带来更多的损耗，特别是在加工后额外进入的损耗更是无法控制，所以综合考虑，滤波器采用四阶。四阶变容管加载终端短路式梳状线滤波器电路拓扑如下页图3所示。

电路选用相同容值的变容管，只采用一个电源控制，由于滤波器的通带带宽窄，对变容管的配组及结电容一致性的要求比较高［11］。变容管偏置电路采用集总参数LC低通滤波器，由于变容管一端通过隔置电容到地，隔置电容的Q值对滤波器的性能影响较大，应选用Q值较高的电容［12］。

滤波器的技术指标:工作频段为668.6 MHz～1 300 MHz，插损小于6 dB，3 dB带宽小于5%，矩形系数为5时，阻带抑制为45 dB。

采用ADS1.5软件中的多层耦合线模型（ML4CTL）分析优化此电路，结果如下:

图3 四阶变容管加载终端短路式梳状线滤波器电路拓扑

图4 变容管加载终端短路式梳状线滤波器的特性曲线（Rs=1Ω）

图5 变容管加载终端短路式梳状线滤波器的特性曲线（Rs=0.5 Ω）

从图4、图5中可看出，随着中心频率的升高，滤波器的带内增益有所增大，但矩形系数将变差。设计中考虑到变容管电阻Rs的影响，Rs为1 Ω（图4）与为0.5 Ω（图5）在频率低端差8 dB。由于变容管电阻Rs的影响，在可调频率范围内的低端，插损很大，从而使f1～f2的带内起伏比较大。

为了改善滤波器的带内起伏和在频率低端的插损，在梳妆线滤波器前加上校正放大器，利用放大器的增益随频率的增加而线性下降达到更为合理的值。

2.2 校正放大器的设计

校正放大器采用单级中放电路，其加电方式为自偏（减少负电压源），方便使用。经合理选择其工作点，改善了滤波器的带内起伏和在频率低端的插损。其输入输出均含π形网络，电路拓扑如图6所示，特性曲线如图7所示。

图6 校正放大器电路拓扑

图7 校正放大器的增益特性曲线

校正前，带内起伏比较明显，在频率670 MHz和1.304 MHz处的插损相差10 dB。校正后，在整个带宽内的插损变化较平稳，并且插损得到了有效的改善。

3 结论

本文设计出的宽度电调滤波器，可调范围宽，在滤波器的输入端配有单级自偏中放电路，从而整个滤波器组件的带内起伏小且在频率低端的插损也较小。由于滤波器采用微组装工艺，一致性好，便于批量生产。如果变容管的Q值进一步改善，滤波器的性能可以得到进一步提高。

［1］RATNAWEERA A，HALGAMUGE S K，WATSON H C. Self-organizing hierartchical particle swarm optimizer with time-varying acceleration coefficients［J］.IEEE Transactions on Evolutionary omputation，2004，8（3）:240-255.

［2］张东明，石玉.一种叠层带状线电调滤波器的设计［J］.压电与声光，2015，37（2）:304-306.

［3］魏强，王彬，唐京洲.一种大功率窄带电调滤波器设计［J］.电讯技术，2013，53（3）:640-643.

［4］张诚，王学田，房丽丽.电调梳状带通滤波器的设计［J］.微波学报，2012（8）:293-296.

［5］ANDREW R.Brown，Gabriel M.Rebeiz.A varactor-tuned RF filter［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，2000，48（7）:1157-1160.

［6］赵宝林，杨邦朝，石玉，等.一种小型抽头式折叠线电调带通滤波器［J］.电子元件与材料，2013，32（12）:49-52.

［7］于正永，钱建波.带状线低通滤波器的等效电路模型研究［J］.电子器件，2014，37（2）:262-265.

［8］王文才，陈昌明，杨刚.一种毫米波微带带通滤波器的设计［J］.电子器件，2014，37（5）:855-858.

［9］喻梦霞，徐军，陈建新.新型毫米波微带带通滤波器［J］.微波学报，2006，22（3）:45-47.

［10］RICHARD J C.Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters［J］.IEEE Tans Microwave Theory Tech，2003，51（1）:1-10

［11］张福洪，张振强，马佳佳.基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化［J］.电子器件，2010，33（4）: 433-437.

［12］雷瑶.1～1.5 GHz带宽梳状线电调滤波器的研究与设计［J］.磁性材料与器件，2010，41（6）:60-62.

A Design of Broadband Comb Line Electric Tunable Filter

ZHANG Wei-wei，YANG Yi-fei
（School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China）

The design of electric tunable broadband comb line filter is introduced in the paper. Using four order varactor loaded terminal short circuit，filter input is equipped with single stage selfbias circuit.Within the zone，ups and downs is small.Loss is small in low frequency.Test shows its working frequency range of 668.6 MHz～1 300 MHz，insertion loss of less than 6 dB，3 dB bandwidth less than 5%and resistance’s suppression ratio for 45 dB with rectangular factor of 5.

electric tunable filter，comb line，varactor

TN713

A

1002-0640（2017）04-0146-03

2016-02-27

2016-03-16

陕西省教育厅科研基金（14KJ1672）；西安邮电大学中青年基金资助项目（ZL2014-14）

张薇薇（1978-），女，陕西户县人，讲师，硕士。研究方向：射频通信。