一種新型微帶雙模可調濾波器設計

秦緒嶸，和新陽

（中國空間技術研究院西安分院陜西西安710100）

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一種新型微帶雙模可調濾波器設計

秦緒嶸，和新陽

（中國空間技術研究院西安分院陜西西安710100）

摘要：基于開環雙模諧振器設計了一種新型的變容管加載的微帶可調濾波器。首先，根據雙模諧振器的結構特點，利用奇偶模方法分析了其諧振特性；然后，在理論分析基礎上設計了適合頻率調節的雙模諧振器；最后，在固定頻率的雙模濾波器上加載變容二極管，通過調節變容二極管的反向偏置電壓實現了頻率的可調。該可調濾波器實現了2.7～2.9 GHz的中心頻率可調，且在可調范圍內插入損耗小于5 dB，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：微帶濾波器；雙模諧振器；變容二極管；可調濾波器

現代無線通信系統，尤其是衛星通信和移動通信，對通道的選擇性要求越來越高，對器件小型化、微型化的要求愈加迫切，這使得小型化、高選擇性濾波器成為研究的熱點。微帶雙模濾波器憑借其結構簡單、尺寸小、重量輕、成本低、易于集成，且插入損耗低，易產生傳輸零點等一系列優點，在衛星通信和無線通信系統中得到了廣泛的應用，受到了許多研究人員的關注和重視。

微帶雙模濾波器由I.Wo1ff于20世紀70年代首次提出［1］，此后人們便對微帶雙模濾波器開展了大量的研究。雙模諧振器在幾何結構上的對稱性，使其存在兩種簡并模式，在兩種模式的正交面上通過加枝節引入微擾可以使二者分離，從而等效為兩個調諧電路，因此，一個雙模諧振腔就相當于兩個諧振腔的級聯，從而使得濾波器所需的諧振器的數量減少一半，結構變得更加緊湊。到目前為止，在雙模諧振器的研究上已有大量的成果和相關文獻發表。J.R.Lee等人在2000年首次采用中心枝節加載結構設計了中心頻率為2 GHz的雙模濾波器［2］，同時通過兩個諧振器的級聯，設計出了具有一對帶外傳輸零點的四極點濾波器。J.S.Hong等人于2007年由單模諧振器設計出了一種開環雙模濾波器，其奇偶模諧振之間不存在耦合，通過調節相關參數可使由這種開環雙模濾波器級聯的兩階濾波器實現有限輸零點位置的可控［3］。此后，微帶雙模濾波器便如雨后春筍般發展，在濾波器領域扮演著重要角色。

近年來，隨著現代無線通信事業的進一步發展，為了更高效地利用有限的頻譜資源，擴頻、調頻、動態頻率分配等技術得到廣泛的應用，可調濾波器作為這些技術的關鍵器件也越來越受到重視。I.C.Hunter等人在1982年首次通過使用變容管實現了對梳狀線濾波器中心頻率的調節，并設計了一款在3.2～4.9 GHz頻率可調的微帶梳狀線可調濾波器［4］。雙模可調濾波器是實現微波器件小型化的有效方法，研究人員在相關研究中也取得了大量的成果［5］。

文中在微帶開環雙模諧振器的基礎上設計加工了一款新型可調濾波器。首先對微波雙模方環諧振器進行奇偶模分析，確定奇偶模的諧振頻率；然后通過加載變容二極管實現濾波器在2.7～2.9 GHz上插入損耗小于5 dB的頻率調節。

1　雙模諧振器的基本特性

文中的可調濾波器是在開環雙模諧振器［6］的基礎上設計的，下面以形式最簡單的雙模諧振器—方環雙模諧振器為例，對其原理進行分析，方環雙模諧振器的基本拓撲結構如圖1所示。方環邊長近似為四分之一波導波長，通過改變對稱處加載微擾枝節的大小和形狀可以實現不同類型的頻率響應。由圖1可知，方環雙模諧振器關于圖中的虛線A-A'對稱，因此可以應用經典的奇偶模方法對其諧振頻率進行分析，根據雙模諧振器模型，這種結構具有兩種諧振模式，即奇模諧振模式與偶模諧振模式。

圖1　微帶雙模諧振器示意圖

如圖1中所示，奇模情況時，分別通過端口1和端口2饋入等幅反相的信號，對稱線A-A′處的電壓值為零，可等效為理想的電壁（虛擬短路），加載的微擾枝節相當于被短路掉，相應的等效電路如圖2（a）所示。當忽略諧振的不連續性時，奇模激勵的輸入導納Yin，o可表示為式（1），由其諧振條件Yin，o可得式（2）

由式（2）可知，奇模諧振頻率只與方環各個部分的電長度θ，θ′，θ″有關，與加載的枝節的長度無關，改變方環諧振器的邊長相應的奇模諧振頻率也會改變。

偶模情況時，分別通過端口1和端口2饋入等幅同相的信號，對稱線A-A′處電流值為零，可等效為理想磁壁（虛擬開路），相應的等效電路如圖2（b）所示。與奇模激勵時情況類似，偶模激勵時的輸入導納Yin，e可表示為式（3）以及式（4）。根據偶模諧振條件Im（Yin，e）=0，可得式（5）

由式（5）可知，偶模諧振頻率與圖1中方環的邊長L及加載枝節的長度P都有關系，而上文中提到奇模諧振頻率只與方環諧振器的邊長L有關，所以通過調節枝節長度P，可以單獨改變偶模諧振點頻率。圖3中給出了奇模和偶模諧振頻率隨微擾加載枝節的長度P變化的曲線（L=16.2 mm）。

由圖中曲線可知，隨著微擾枝節的長度P的增長，偶模諧振頻率降低。根據上述的奇偶模諧振頻率與方環邊長L以及微擾枝節長度P的關系，顯然可以通過在方環對應的兩邊及微擾枝節的終端上加載電容器實現方環雙模諧振器的頻率調節。

2　可調濾波器設計

圖2　奇模和偶模饋電等效電路示意圖

圖3　奇偶模頻率隨加載枝節長度變化曲線圖

設計通過調節變容二極管偏置電壓實現頻率可調的雙模濾波器，需要分別設計固定頻率的濾波器以及偏置電路。根據上述理論分析，在對比多種雙模諧振器的優缺點之后，文中的最終選擇如圖4所示的開環形式的雙模諧振器設計實現可調濾波器。

圖4　HFSS雙模諧振器參數示意圖

優化之后的諧振器的物理參數值如表1所示，濾波器響應曲線如圖5所示，其中心頻率為3.45 GHz，濾波帶寬約為180 MHz，在頻率的高端有一個零點，通帶內的傳輸損耗小于1.5 dB，插入損耗大于23 dB，帶外抑制＞20 dB（@3.5 GH±0.5 GHz），符合設計的要求。文中的可調濾波器是設計在20 mm*30 mm的厚度d=0.508 mm，介電常數εr=3.66，損耗角正切tanσ=0.004的Rogers RO4350介質基板上的，其HFSS中的版圖如圖6所示。

表1　仿真優化后濾波器各部分的幾何參數值表

圖5　HFSS中微帶結構雙模諧振器S11和S21曲線圖

為了保證加工的準確性，在仿真過程中對可調濾波器進行容差分析，將分析結果作為優化設計的參考，使最終加工獲得的濾波器在誤差范圍內的濾波響應可被接受。首先確定分析的對象，即可能會對濾波響應造成較大影響的物理參量以及加工時易出現誤差的因素。在此主要對接地孔在橫向和縱向兩個方向上的偏移以及輸入輸出耦合縫隙寬度進行容差分析。

圖6　HFSS中可調濾波器示意版圖

圖7（a）（b）中的容差分析結果顯示，在加工誤差范圍內接地孔位置的偏移的微小變化對濾波器的響應幾乎沒有影響。另外，從圖7（c）中的結果可以看出耦合縫隙寬度的只會影響濾波器的帶寬，對其中心頻率沒有影響。還應該注意到，縫隙寬度偏小時會使回波損耗惡化，但其影響也可以接受。

3　可調濾波器仿真結果分析

圖7　接地孔沿橫向、縱向偏移、耦合縫隙容差分析結果示意圖

ADS中仿真得到的頻率響應曲線如圖8所示，不同中心頻率及濾波帶寬對應的變容二極管的偏置電壓組合如表2所示。仿真中濾波器可以實現從2.7～2.9 GHz的中心頻率可調，插入損耗等參數也都實現了設計指標的要求，隨著可調濾波器中心頻率變大，其3 dB帶寬及相對帶寬都變寬，插入損耗變小。

圖8　濾波器可調范圍示意圖

表1　ADS仿真中可調濾波器不同中心頻率對應的帶寬及偏置電壓表

4　結論

本文實現了2.7GHz-2.9GHz中心頻率可調的微帶雙模濾波器。對雙模諧振器的諧振原理進行了分析，還對設計的可調濾波器的敏感參數進行了容差分析。基于該設計可以結合LTCC等技術實現可調濾波器的小型化，在無線通信系統中有廣闊的應用前景。

參考文獻：

［1］Wo1ff I.Mjcrostrjpbandpass fj1ter usjng degenerate modes of a mjcrostrjp rjng resonator［J］.E1ectron.Lett.，1972，8（12）：302-303.

［2］Lee J R，Cho J H，Yun S W.New compact bandpass fj1ter usjng mjcrostrjpresonator wjth open stub jnverter［J］.IEEE Mjcro.Gujded Wave Lett.，2000，10（12）：526-527.

［3］Hong J S，Shaman H，Chun Y H.Dua1-mode mjcrostrjp open-1oop resonators and fj1ter［J］.IEEE Trans.Mjcrow.Theory Tech.，2007，55（4）：1764-1770.

［4］Hunter I C，Rhodes J D.E1ectronjca11y tunab1e mjcrowave bandpassfj1ters［J］.Mjcrow.Theory Tech，1982（30）：1354-1360.

［5］Tang W，Hong J S.Varactor-tuned dua1-mode bandpass fj1ters ［J］.IEEE Trans.Mjcrow Theory Tech，2010，58（8）：2213-2219.

［6］孫守家，吳邊，梁昌洪.新型雙模方環微帶帶通濾波器［J］.西安電子科技大學學報：自然科學版，2014，41（1）：53-56.

Deslgn of a novel mlcrostrlP dual-mode tunable fllter

QIN Xu-rong，HE Xjn-yang
（CAST Xi'an，Xi'an 710100，China）

Abstract:In thjs paper，a new type tunab1e fj1ter based on open 1oop dua1-mode resonator js desjgned.Fjrst of a11，accordjng to the structura1 characterjstjcsofthedua1-mode resonator，the characterjstjcs of resonance js ana1yzed jn the even-odd mode ana1-ysjs method；Then，a dua1-mode fj1terjs desjgnedbased on the theoretjca1 ana1ysjs；Fjna11y，thedua1-mode fj1tercan berea1jzedfrequency tunab1eby adjustjng the reverse bjas vo1tageof thevaractors.The jnsertjon 1oss jn the passband of the tunab1efj1terjs 1ess than 5dB wjth a center frequency tunab1e range from2.7GHz to 2.9GHz，and the fj1ter has a broad app1jcatjon prospect.

Key words:mjcrostrjp fj1ter；dua1-mode resonator；varactor；tunab1e fj1ter

中圖分類號：TN713+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0101-03

收稿日期：2015-05-10稿件編號：201505086

作者簡介：秦緒嶸（1989—），男，山東日照人，碩士。研究方向：微波與電磁場技術。