基于加载变容二极管的多通带滤波器可调传输零点的研究

吴佳熙,于 映

(南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院,江苏 南京 210046)

滤波器作为射频系统中最关键的器件之一,在通信系统中发挥的作用十分重要。为了高效地利用频谱资源,可调滤波器已成为当前滤波器设计者们应当考虑的方向之一。可调滤波器具有增大频率变化范围、调节带宽、调谐速度快等优点,但是目前已有的可调滤波器存在带外抑制性能较差、谐波无法抑制、结构单一等缺点。因此传输零点可调和多通带已成为当前滤波器系统的重要发展方向,再者,可调滤波器在远程监控雷达、远程探测卫星和洲际弹道导弹等方面也具有一定的应用价值。随着新型材料和无源器件的快速发展,滤波器的可重构已趋于成熟,但如何利用可调的传输零点实现通带的带内抑制和带外抑制仍需进一步研究[1-6]。

滤波器具有多种实现调谐的方式如钇铁石榴体、PIN 二极管、变容二极管、MEMS 等,变容二极管凭借其调谐速度快、电容变化范围大、尺寸小、易集成、成本低、性能稳定等优点为滤波器的可重构提供了更多的可能性[7-8]。Chen[3]提出可以通过加载变容二极管的半波长双模谐振器实现对中心频率的独立控制。该滤波器在每条馈电微带线上加载了一对长度不等的平行耦合短截线,从而在两个通带之间产生传输零点,并使得带外抑制大于34 dB,但该滤波器无法单独控制其传输零点。Zhang 等[4]提出了一种新型的双通带带通滤波器,该滤波器是在三模阶梯阻抗谐振器的基础上加载变容二极管和短截线来实现两个通带的独立控制和设计,但该滤波器电路尺寸大,结构复杂,带外抑制差。You 等[5]提出了一种可调传输零点的带通滤波器,该滤波器通过改变两个谐振器的中心频率来实现所需传输零点的可调,并且其传输零点可在通带两侧移动,但该滤波器只有一侧有较好的带外抑制,另一侧抑制较差且传输零点移动范围小,插入损耗较大。以上文献中提出的多通带滤波器结构都比较复杂,如何设计一个传输零点可调、带外抑制性能好、结构简单、多传输零点的多通带滤波器仍是电路设计人员面临的一个挑战[9-10]。

本文基于阶梯阻抗谐振器的基本理论,通过在SIR 结构的微带线上加载四个变容二极管设计了一种传输零点可调并且可以利用可调的传输零点抑制通带的紧凑型多通带带通滤波器。该滤波器由两个折叠开环阶跃阻抗谐振器(FOLSIR)组成,在不增加电路尺寸的情况下,可以获得多个传输零点,具有较好的带外抑制性能、结构简单紧凑等优点,还可以通过改变变容二极管的电容值单独控制其中一个传输零点在0.5～2 GHz 范围内移动,并通过电磁仿真得到验证。

1 SIR 谐振器分析

在微波频段内,通常把微带线作为无损耗处理[11]。阶梯阻抗谐振器(SIR)是由两段或者多段不同阻抗的传输线构成的一种传播横向电磁波或者准横向电磁波的结构,它分为全波长型,半波长(λg/2)型以及四分之一波长(λg/4)型谐振器(如图1 所示)。全波长型和λg/2 型SIR 谐振器相对于λg/4 谐振器体积较大并且会在两倍频附近产生二次谐波,二次谐波附近并不会产生特定的传输零点,因此带外抑制特性较差。综上所述,在实际应用中往往采用λg/4 型SIR 谐振器[12-13]。

图1 λg/4 型SIR 谐振器Fig.1 λg/4 SIR resonator

谐振器谐振频率与特性阻抗比(SIR 的电气长度)之间的关系描述为:

式中:θ是各部分的电气长度;Rz=Z2/Z1是HIP 和LIP 的特性阻抗比。以微带线为基本结构,各部分的特性由式(2)确定:

式中:f0是SIR 的谐振频率;fs1是SIR 的第一个寄生谐振频率。开路端输入阻抗为:

根据谐振条件可得:

从式(4)可以看出,SIR 结构谐振器的谐振条件与电长度θ、阻抗比Rz有关。通过谐振条件分析可得,通过改变两段传输线的长度或者改变传输线的阻抗比都可以设计SIR 结构的可重构滤波器[14]。

基于以上理论本文设计了一个折叠开环的SIR 谐振器,如图2 所示。SIR 的初始物理尺寸(W1,W2,W3)可根据式(5)和(6)得出。

图2 SIR 谐振器结构Fig.2 SIR resonator structure

式中:εr为介质板的介电常数;εre为有效介电常数;W为微带线宽度;h为介质板的厚度。

本文的设计思想是通过引入变容二极管实现对传输零点的控制,从而利用传输零点实现通带抑制的效果。传输零点的控制取决于以下因素:(1)金属通孔的大小;(2)L3之间的耦合强度;(3) 带状线之间距离S1。可以通过合理选择以上因素,设计出所要求的滤波器谐振频率和独特的传输零点。

2 滤波器设计与分析

滤波器选用Rogers 3010 材料,相对介电常数为10.2,损耗角正切为0.003,设计使用了二阶的SIR 谐振器(图2)并在谐振器的开路端加载四个变容二极管,通过变容二极管改变谐振器的电长度和耦合强度实现传输零点的可调,最终设计出如图3 所示的滤波器结构。该滤波器可以通过调整微带线之间的间隙和电容的大小来调整其传输零点的移动。经过三维仿真软件HFSS 对模型进行优化处理,滤波器参数如表1 所示。

表1 滤波器尺寸参数Tab.1 Parameters of filter

根据图3 所示滤波器结构,运用HFSS 软件结合上述理论得到该滤波器在0～3 pF 范围内的S参数仿真结果如图4 所示。仿真结果表明,该频段内滤波器有四个传输零点,因此具有较好的带外抑制特性,并且随着电容值在0～3 pF 内的改变,最右侧的传输零点可以在0.5～2 GHz 频段内自由移动,当电容值分别为0,0.5 和2 pF 时,传输零点随电容值的改变而移动使得滤波器在2.1,1.51 和0.57 GHz 的通带被分别抑制,从而形成双通带的带通滤波器并且都具有较好的带外抑制特性。当电容值为1.5 pF 和3 pF 时,传输零点分别移至0.9～1.3 GHz 和0～0.5 GHz 之间,形成双传输零点的三通带带通滤波器。因此该滤波器可以抑制三通带内的任一通带,使得带通滤波器可以在三带通或双带通两种状态下自由切换。

图3 引入四个变容二极管的SIR 滤波器结构Fig.3 The structure of SIR filter with four capacitor tubes

图4 加载变容二极管后滤波器仿真结果。(a) C=0 pF;(b) C=0.5 pF;(c) C=1.5 pF;(d) C=2 pF;(e) C=3 pFFig.4 Simulation results of the filter after loading the varactor.(a) C=0 pF;(b)C=0.5 pF;(c) C=1.5 pF;(d)C=2 pF;(e)C=3 pF

由仿真结果可以看出,在0.5～2 GHz 频段内,插入损耗小于1 dB 并且回波损耗大于10 dB;通过电容在0～3 pF 范围内的调控使得传输零点能在0.5～2 GHz 内自由调节,可以利用可调的传输零点实现滤波器的带内和带外抑制。

3 滤波器制作与测试

最终滤波器实物如图5 所示。介质材料为Rogers 3010,基板厚度为0.635 mm,相对介电常数为10.2,损耗角正切为0.003,尺寸为30 mm× 37.85 mm,采用的变容二极管型号为SMV2020-079LF。

图5 可调滤波器实物图Fig.5 The physical picture of the modulated filter

所设计的紧凑型电可调带通滤波器测试结果如图6 所示。可以看出,通过控制四个变容二极管偏置电压(0～20 V)的改变使得高频处的传输零点逐渐向低频移动,导致滤波器的三个通带从右往左逐次被抑制。当电容值为0 pF 时,传输零点移至高频处并将第三通带(2.03 GHz)抵制,形成双通带(中心频率在1.02 GHz 和1.61 GHz)滤波器,但通带内的插入损耗较大。偏置电压Vc为11 V 时电容值增大到0.5 pF,第二通带(1.54 GHz)被抑制形成中心频率在1.01 GHz 和1.93 GHz 的双通带滤波器。电压Vc减小到1.5 V,电容值为2 pF 时,第一通带(0.77 GHz)会被抑制,形成中心频率在1.12 GHz 和1.69 GHz 的双通带滤波器。因此该滤波器可以通过改变电容值的大小调整传输零点的位置从而实现通带抑制和通带数量的改变。将图6 实测结果与图4 仿真结果进行对比得出,通带内插入损耗实测结果比仿真结果恶化了1 dB 左右,但其因传输零点的可调而实现的带内带外抑制性能一致。

图6 加载变容二极管后滤波器测试结果。(a) C=0 pF;(b) Vc=11 V, C=0.52 pF;(c) Vc=1.5 V,C=2 pF;(d) Vc=0 V, C=3 pFFig.6 Filter test results after loading varactor diodes.(a)C=0 pF;(b) Vc=11 V, C=0.52 pF;(c)Vc=1.5 V, C=2 pF;(d) Vc=0 V, C=3 pF

由于SMA 射频连接器以及介质基板的损耗,测试结果的插入损耗和回波损耗也相应地稍有恶化,并且随着电容值的变化使得传输线的等效电长度发生改变,从而使得中心频率有所偏移,但总体而言实测结果与仿真结果吻合较好,最终使得滤波器工作频段在0.5～1.1 GHz,1.2～1.51 GHz,1.63～1.92 GHz 附近。

4 结论

本文设计了一款通过加载变容二极管利用可调的传输零点来抑制通带性能或者改变通带数量的微带线结构的多通带带通滤波器。该滤波器通过SIR 谐振器末端的耦合产生传输零点,然后通过引入变容二极管控制耦合强度大幅度提高了传输零点的可调范围。滤波器实测结果表明,在0.5～2 GHz 频段内能较好地利用传输零点实现通带的抑制和通带数量的改变,并且通带的插入损耗小于3 dB,带外抑制优于40 dB。与现有的研究结果相比,该电调滤波器的研究不仅大大提高电调滤波器的带外抑制性能,而且可以利用可控的传输零点抑制通带或谐波,缩小滤波器的体积。这种传输零点可调的滤波器研究可为移动通信系统的频段提供更多的选择,具有很好的研究意义。