频率可调带通-带阻可切换滤波器的设计

李守湛,曹良足,邓 笛

(景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院,江西 景德镇 333403)

0 引言

随着无线通信技术的不断普及,生活中电磁干扰越来越多,微波滤波器作为射频前端通信系统的重要组成器件,对于筛选和过滤信号起着至关重要的作用。多频段无线系统需要使用可调谐或可切换的滤波器进行重新配置,国内外学者对可调谐滤波器[1-5]或可切换滤波器的研究较多[6-9],但对既可调谐又可切换的滤波器研究较少[10-13]。

文献[6]基于平行耦合线设计了一款3种传输模式的滤波器,但其带阻模式下的性能较差,且使用过多的PIN开关二极管并未实现足够多的传输模式;文献[7]基于T型谐振器使用4个PIN开关二极管设计了一款3种传输模式的滤波器,但只能通过改变物理尺寸实现中心频率和带宽的调节。文献[8]基于山字形多模谐振器,使用3个PIN开关二极管设计了一款6种传输模式的滤波器,但其选择性不好。文献[9]基于环形谐振器,使用单刀双掷开关和PIN开关二极管设计了一款带通-带阻滤波器。文献[10]通过在输入输出馈线间加载射频-微机电系统(RF-MEMS)开关实现带通到带阻两种模式的可切换,在谐振器间加载变容管调整耦合实现带宽的可调谐。文献[11] 使用无源特性的忆阻器Pi模型设计了一款带通-带阻可切换的滤波器,但两种模式下阻带的选择性都不好,同时因为缺少忆阻器的商用模型,无法给出实物测试数据。文献[12]采用谐振器级联,使用单刀双掷开关验证了二阶、三阶级联实现带通与带阻两种模式可切换的可行性。文献[13]通过在输入输出馈线间加载PIN开关二极管设计了一款带通带阻可切换的滤波器,在谐振器开路端加载变容二极管实现中心频率的可调谐。

本文提出了一款中心频率可调的高选择性带通带阻可切换滤波器,通过1个PIN开关二极管和4个变容二极管设计了一款带通模式中心频率可调范围3.45～4.25 GHz、带阻模式中心频率可调范围3.6～4.2 GHz的响应可重构微波滤波器。最后对滤波器进行加工制作,实测与仿真结果基本一致。

1 滤波器结构设计与分析

图1为本文提出的滤波器结构,主要由输入输出馈线、一对λ/2(λ为波长)开路谐振器、变容二级管和PIN开关二极管组成。通过在距谐振器开路端约1/4处加载变容二极管,调谐变容二极管偏置电压可实现中心频率的调谐,在输入输出馈线间加载PIN开关二极管实现带通与带阻两种模式的可切换,PIN开关二极管零偏状态等效小电阻表现为带通模式,正偏状态等效小电阻实现带阻模式,同时因为引入源于负载间的耦合,在阻带产生了传输零点,提高了选择性和阻带抑制。此外,隔直电容Cb和偏置电阻Rb在电路中分别起隔直和防止射频泄露的作用。

图1 滤波器结构图

1.1 耦合拓扑结构分析

图2为本文所提出的滤波器拓扑结构。通过在输入输出馈线间引入PIN开关二极管作为射频开关,实现带通与带阻两种传输模式的可切换。PIN开关二极管在零偏时等效为1个小电容,此时开关等效为断开状态,滤波器工作在带通模式;当PIN二极管正偏时则等效为1个小电阻,此时开关等效为闭合状态,滤波器工作在带阻模式。

图2 耦合拓扑图

如图3所示,由于在输入输出馈线之间引入源与负载耦合,在上阻带产生了一个传输零点,由于两个谐振器之间存在电磁混合耦合,在下阻带也产生了一个传输零点,两个传输零点的产生增加了滤波器的选择性和阻带抑制。

图3 有无源与负载耦合影响

1.2 可调谐振器分析

对于λ/2开路谐振器,微带线长度决定了谐振频率,可通过在距谐振器开路端约1/4处加载变容二极管,利用电容等效微带线长度的原理可减小谐振器尺寸,同时实现中心频率可调谐。

本文提出的谐振器等效电路如图4所示。在距λ/2开路谐振器开路端约1/4处分别加载变容管Cv1和Cv2。

图4 可调谐振器

其P1位置端口导纳Yin为

Yin=jωCv1+jY2tanθ2+

(1)

Yin1=jωCv2+jY3tanθ3

(2)

式中:θ1为长度L1及谐振角频率ω对应的电长度;θ2为长度L2及谐振角频率ω对应的电长度;θ3为长度L3及谐振角频率ω对应的电长度;Y1,Y2,Y3分别为相应传输线的特性导纳。

由于谐振器谐振条件:

Yin=0

(3)

则有:

(4)

(5)

由式(4),(5)可得:

(6)

(7)

式中:ω′为谐振角频率;θ′1为长度L1及谐振角频率ω′对应的电长度;θ′2为长度L2及谐振角频率ω′对应的电长度;θ′3为长度L3及谐振角频率ω′对应的电长度。

由式(6),(7)可知,谐振器的谐振频率可通过电容Cv1与Cv2的容量进行调节。

图5为谐振频率随电容Cv1与Cv2的容量变化的结果。由图可看出,Cv1与Cv2的容量大小改变都会引起谐振频率的变化。因此,通过加载变容二极管可实现滤波器中心频率的可调谐。

图5 频率随电容容量变化关系

耦合系数k为

(8)

式中f1,f2分别为模式1、2的工作频率。

图6为电容Cv1与Cv2容量改变过程中耦合系数的变化。由图可看出,电容Cv1容量增大,耦合系数减小;电容Cv2容量增大,耦合系数增大。因此,对电容Cv1与Cv2同时调节可保持耦合系数相对不变,从而保持电调范围内带宽恒定。

图6 耦合系数随电容容量变化关系

图7为中心频率调谐过程中耦合系数随频率变化的关系。由图可看出,耦合系数相对变化率为15.8%,故滤波器的带宽在电调范围内可几乎保持恒定。

图7 耦合系数随频率变化关系

外部品质因数Qe为

(9)

式中f0为中心频率。

图8为实验提取的Qe与理论Qe随频率变化的比较。由图可看出两条曲线存在合理的一致性。

图8 提取的Qe与理论Qe的比较

1.3 仿真结果分析

图9为滤波器带通响应Cv1与Cv2不同容值下的传输曲线与反射曲线。

图9 带通响应仿真结果

由图9可看出,同时调谐Cv1与Cv2可使滤波器中心频率在3.45～4.25 GHz内连续可调,调谐过程中绝对带宽为(210±5) MHz,插入损耗为0.42～0.57 dB,回波损耗优于24 dB。2个传输零点在调谐过程中一直存在,且相对通带位置基本不变,进一步证明了滤波器具有良好的选择性与阻带抑制。

图10为滤波器带阻响应Cv1与Cv2不同容值下的传输曲线与反射曲线。由图可看出,同时调谐Cv1与Cv2可使滤波器中心频率在3.6～4.22 GHz内连续可调,调谐过程中绝对带宽为(90±10) MHz,阻带内衰减优于18 dB,插入损耗低于0.4 dB。

图10 带阻响应仿真结果

2 实物制作与结果测试

设计中,仿真软件使用ADS与HFSS联合仿真,利用ADS仿真的速度优势对电路原理图进行仿真优化得到粗模型,再利用HFSS仿真与实际样品的相似性进行建模验证结构有效性,对结构参数微调优化得到细模型,可有效地提高仿真的效率。

为验证仿真结果与实际的差异,使用介电常数εr=2.2、板厚h=1 mm、损耗正切tanδ=0.000 9的F4BM介质基板制作了一款频率可调带通-带阻可切换滤波器。最终得到的滤波器结构参数(见图1)为w=3.1 mm,w1=1.8 mm,w2=1.8mm,w3=1.4 mm,w4=1.4 mm,L0=13.3 mm,L1=4.2 mm,L2=5.2 mm,L3=3.3 mm,L4=2 mm,L5=2 mm,L6=7.7 mm,L7=3.9 mm,s1=0.1 mm,s2=1 mm,L=22 nH,Cb=1 pF,Rb=100 kΩ。滤波器整体尺寸为44.4 mm×16.1 mm,即0.59λg×0.21λg(其中λg为调谐范围中心频率对应波长),由于没有合适的最小可调电容(为0.14 pF)的变容二极管,故Cv1和Cv2选用可调范围相对接近的SMV2019(C=0.3～2.25 pF,Rs=4.8 Ω),PIN开关二极管选用SMP 1345-079LF。最终制作的滤波器实物如图11所示。使用矢量网络分析仪Agilent E5071B对滤波器的传输与反射特性进行测量。

图11 可切换滤波器实物图

当开关二极管不加偏压,开关断开,滤波器为带通状态,然后在变容二极管加反偏压,图12为带通响应的测量结果。由图可看出,随着直流电压的改变,滤波器在3.45～3.90 GHz内连续可调,绝对带宽保持恒定。测量出的插入损耗为4.4～4.6 dB,回波损耗优于13 dB,两侧传输零点一直存在,进一步说明了滤波器在可调范围内具有良好的选择性。

图12 带通响应测试结果

当开关管加正偏压,开关二极管导通,滤波器为带阻状态,然后在变容二极管上加反偏压,图13为带阻响应的测量结果。

图13 带阻响应测试结果

由图13可看出,随着直流电压的改变,滤波器在3.45～3.90 GHz内连续可调。测量出阻带内衰减优于9 dB,通带插入损耗低于0.8 dB。

测量结果发现,带阻状态阻带内衰减较差,其原因主要由变容二极管寄生电阻与加工过程中焊接器件误差造成。图14为带阻状态变容二极管串联电阻仿真结果。由图可看出,随着电阻Rs的增大,阻带内衰减随之变差,采用高Q值GaAS变容二极管可减小误差。

图14 串联电阻仿真结果

3 结束语

本文采用一对λ/2(λ为波长)谐振器加载1个PIN开关二极管和4个变容二极管设计了一款频率可调带通与带阻可切换的滤波器。通过对耦合系数与外部Q值的分析,选取合适的参数实现了滤波器绝对带宽在调谐范围内保持恒定。通过引入源与负载耦合及谐振器之间的电磁混合耦合产生传输零点,提高滤波器的选择性与带外抑制。最终实物测量与仿真结果基本一致,其差异由变容二级管寄生电阻与加工过程中焊接器件误差造成。选用高Q值GaAS变容二极管有望减小插入损耗。该滤波器尺寸为44.4 mm×16.1 mm(0.59λg×0.21λg),结构简单,基本满足小型化的要求,同时该滤波器在多用途无线通信系统中也具有极大的潜力。