頻率帶寬可調(diào)可切換的帶通濾波器設(shè)計(jì)仿真

張友俊，楊 希

(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 200120 )

1 引言

隨著移動(dòng)通信、雷達(dá)通信和數(shù)據(jù)多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，信號(hào)所在的傳輸環(huán)境也在不斷發(fā)生變化，而在復(fù)雜的通信環(huán)境之中對(duì)于收發(fā)端有著更高的要求。特別是5G通信全面普及的今天，對(duì)于射頻前端濾波器部分也有了更高的發(fā)展要求。根據(jù)射頻器件巨頭Skyworks的預(yù)計(jì)，到2020年，5G應(yīng)用上支持的頻段數(shù)量將成倍數(shù)上升，至少會(huì)新增50個(gè)以上通信頻段，全球不同制式網(wǎng)絡(luò)合計(jì)可使用的頻段將達(dá)到91 個(gè)以上。而對(duì)于通信的一個(gè)使用頻段而言，一般來(lái)說(shuō)至少需要兩個(gè)以上的濾波器，因此隨著手機(jī)頻段數(shù)不斷上升的直接結(jié)果就是手機(jī)中使用的射頻濾波器數(shù)量也會(huì)隨之上升，而手機(jī)中濾波器的成本也在日漸上升。濾波器市場(chǎng)的前景可謂一片大好，但是濾波器仍然是射頻前端[1]中最具挑戰(zhàn)性的器件。這個(gè)模塊的應(yīng)用廣泛存在于各類(lèi)通信器材的收發(fā)段之中，其主要作用就是充當(dāng)一個(gè)窗口作用進(jìn)行信號(hào)的篩選，使在通帶之中的信號(hào)可以完好的通過(guò)，而處于阻帶之中的信號(hào)則被濾除。隨著不斷發(fā)展的可重構(gòu)射頻前端的背景之下，前端部分擁有更好的靈活性和更好地濾波性能[2]則是之后的總體發(fā)展方向。可重構(gòu)濾波器是可重構(gòu)射頻前端重要的組成部分，它的發(fā)展也與射頻收發(fā)端的發(fā)展緊密相連。而到目前為止，已經(jīng)有幾種不同的可調(diào)的濾波器被提出。最早是一款頻率可重構(gòu)的低頻濾波器被提出，之后便有可調(diào)頻帶更寬的帶通微帶線電調(diào)濾波器的結(jié)構(gòu)[3]出現(xiàn)，但是其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍較小。直到后來(lái)又有一種新型的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更寬范圍調(diào)節(jié)的可重構(gòu)濾波器被提出來(lái)，這種濾波器的可調(diào)區(qū)間有600MHz。根據(jù)這些可以看出，為了適用于不同的通信環(huán)境，頻率和帶寬成為了今后可重構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。同時(shí)，這兩個(gè)指標(biāo)值也是濾波器研究的最終目標(biāo)。

此次設(shè)計(jì)并仿真了一種新型中心頻率可調(diào)，帶寬切換后保持不變且可高低頻率切換的帶通濾波器，它的設(shè)計(jì)指標(biāo)為中心頻率是1.25GHz，3dB處的帶寬是100MHz，在1.3GHz處的衰減大于30dB。由于在濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中使用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件[4]，使之成為兩個(gè)結(jié)構(gòu)可切換的諧振器，所以擁有較高和較低兩種諧振模式。在上面加載了可調(diào)節(jié)的電容[5-6]部分，通過(guò)偏置電壓控制變?nèi)蓦娙荩怪梢詫?duì)濾波器中心頻率的控制[7-8]，從而使此濾波器擁有較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍[9]。同時(shí)，使其切換后帶寬保持不變。并通過(guò)ADS仿真測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)如上調(diào)節(jié)。

2 濾波器的設(shè)計(jì)理論

在這一節(jié)中將介紹頻率可調(diào)帶寬保持的帶通濾波器的設(shè)計(jì)及仿真，通過(guò)在梳妝結(jié)構(gòu)之上加載電調(diào)開(kāi)關(guān)從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)的切換，擴(kuò)寬相應(yīng)的頻率。通過(guò)其上加載的電壓調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)中心頻率調(diào)節(jié)。

2.1 中心頻率調(diào)節(jié)控制

要想對(duì)濾波器的中心頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么有兩個(gè)主要的方法，其一是調(diào)節(jié)諧振器的長(zhǎng)度，再或者就是在諧振器的一端加載上一個(gè)變?nèi)蓦娙莼蛘唠姼性褂秒娬{(diào)方式進(jìn)行頻率控制。但是前者受限于尺寸的限制，所以較少用于設(shè)計(jì)之中。而后者之中的加載電感[10-11]的方法，由于電感值的調(diào)節(jié)十分較困難，所以大部分設(shè)計(jì)方法是通過(guò)加載電容方法，將電壓施加到可變電容之上的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)[12]，這種進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式也是十分簡(jiǎn)單便捷的。假設(shè)終端開(kāi)路的微帶線的特征導(dǎo)納設(shè)為YC=1/ZC，那么根據(jù)傳輸線的理論可以知道

(1)

上式之中的L是微帶線的線長(zhǎng)，Yin是輸入導(dǎo)納，當(dāng)L<λ/4時(shí)，輸入的導(dǎo)納則會(huì)呈現(xiàn)容性。可以得到等效的電容值C

(2)

由上式可知，當(dāng)加載于諧振器之上的電容值變化[13]的時(shí)候，相應(yīng)的導(dǎo)納也會(huì)發(fā)生變化，諧振器等效長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生改變，即濾波器的中心頻率也會(huì)跟著變化。本設(shè)計(jì)之中使用變?nèi)荻O管作為濾波器的調(diào)控部分，其電容值也易于控制。

2.2 微帶線的耦合分析

當(dāng)兩個(gè)微帶線平行放置進(jìn)行耦合[14-15]時(shí)。其微帶線之間的耦合系數(shù)的定義式為：

(3)

而結(jié)構(gòu)中的濾波器單元通常是由微帶長(zhǎng)等于λ/n的開(kāi)路線所組成的，這個(gè)結(jié)構(gòu)是可以等效看作一個(gè)RLC的諧振電路。可以由等效電路進(jìn)而求得耦合系數(shù)。對(duì)于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的微帶線相互耦合來(lái)說(shuō)，電耦合和磁耦合兩種耦合是同時(shí)存在的，這也是可以通過(guò)等效網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求值。因?yàn)榇篷詈鲜桥c頻率成反比，而電耦合是與之相反成正比。所以等效的總體耦合系數(shù)是

|k|=|km|-|ke|

(4)

如果磁耦合的值大于電耦合值時(shí)，那么總體的耦合系數(shù)是與磁耦合有著相同的極性。此時(shí)當(dāng)頻率減小時(shí)，總體的耦合系數(shù)會(huì)隨之增加，進(jìn)而使濾波器的帶寬保持不變。而要達(dá)到這個(gè)條件則需要外部品質(zhì)因數(shù)Q與頻率成正比。

2.3 控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

因?yàn)樵趯?shí)際的環(huán)境之中，電源往往有著其它的干擾因素的影響，使得使用的電源無(wú)法達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)，而為了使得整體結(jié)構(gòu)上的電位不會(huì)因?yàn)楦蓴_而發(fā)生改變，則需要使用一個(gè)濾波結(jié)構(gòu)對(duì)使用的電源進(jìn)行濾波，通過(guò)濾波電路濾除電源部分的低頻和高頻的干擾，從而使電源有一個(gè)穩(wěn)定的輸出且使電源不會(huì)和信號(hào)之間產(chǎn)生相互干擾。圖示之中主要使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管元件DIODE和電容C元件，其中在電源端口處并聯(lián)了一個(gè)電容C作為去耦作用進(jìn)行濾波，消除高頻信號(hào)的干擾，然后加載了一個(gè)隔直流的電容用來(lái)防止直流電源部分對(duì)于信號(hào)的影響，消除低頻信號(hào)干擾。從而達(dá)到使得信號(hào)有穩(wěn)定輸出的目的，其中濾波部分電路如圖1。

圖1 電源控制網(wǎng)絡(luò)

2.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)濾波器采用開(kāi)關(guān)連接的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，連接兩段耦合結(jié)構(gòu)，從而使濾波器擁有高和低頻兩種模式，可以通過(guò)偏置電壓對(duì)變?nèi)蓦娙莸目刂疲怪趦煞N不同的調(diào)諧模式進(jìn)行切換。當(dāng)在低頻模式時(shí)候，它的頻率范圍是為f0-f1。而處于高頻模式時(shí)，它的頻率范圍為f2-f3。信號(hào)在進(jìn)入濾波結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)進(jìn)行一個(gè)高低諧振模式的選擇，根據(jù)需求進(jìn)行不同的模式選擇之后相應(yīng)的會(huì)有一個(gè)輸出。而f0-f3這個(gè)頻率范圍則是帶通濾波器可以得到的最大的一個(gè)頻率調(diào)節(jié)的范圍。如圖2和圖3。

圖2 低頻模式 圖3 高頻模式

在仿真軟件ADS中，設(shè)計(jì)的可調(diào)帶通濾波器的整體結(jié)構(gòu)主要由ML5CTL_V、ML2CTL_V、SwitchV、VtPulse、電容C和平穩(wěn)電源輸出結(jié)構(gòu)等組成。下圖之中元件MLSUBSTRATE2則是作為模擬基板使用，Term元件作為50Ω的負(fù)載使用，S_Param則是放置S參數(shù)作為頻率掃描控件使用，初始頻率設(shè)定為0.1GHz，停止頻率設(shè)定為3GHz，掃描間隔設(shè)定為0.01GHz，加載的開(kāi)關(guān)使整體結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，開(kāi)關(guān)部分作為連接，VtPulse脈沖源用于控制開(kāi)關(guān)元件SwitchV的閉合，使之可以進(jìn)行高低頻率模式的切換。當(dāng)施加脈沖電壓高于開(kāi)關(guān)部分，那么此時(shí)開(kāi)關(guān)則處于閉合狀態(tài)，此時(shí)濾波器處于低頻模式之中，即f0-f1。而當(dāng)施加脈沖電壓低于開(kāi)關(guān)部分時(shí)，則開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)濾波器處于高頻模式之中，即f2-f3這樣一個(gè)頻率可調(diào)帶寬保持濾波器即可實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的中心頻率可調(diào)且?guī)挷蛔兊目汕袚Q濾波器如圖4。

圖4 可調(diào)濾波器仿真原理圖

圖示之中中間ML5CTL_V部分為一個(gè)梳妝濾波器結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于構(gòu)造。且當(dāng)它等效電容數(shù)值的增大時(shí)，相應(yīng)的第二通帶會(huì)更加遠(yuǎn)離濾波器的主通帶，且穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)第二通帶的中心頻率是主通帶中心頻率的4倍以上，這個(gè)特性有利于作為調(diào)節(jié)范圍較寬的結(jié)構(gòu)使用。設(shè)計(jì)主要有七步，其步驟可總結(jié)如下：

1)首先需要進(jìn)行歸一化參數(shù)，得到初始帶通指標(biāo)對(duì)應(yīng)的低通指標(biāo)；

2)再由相應(yīng)的低通指標(biāo)確定設(shè)計(jì)的階數(shù)和電長(zhǎng)度的確定；

3)使用各個(gè)微帶線對(duì)地的歸一化單位長(zhǎng)來(lái)計(jì)算初始電容值；

4)由基板的厚度和相應(yīng)導(dǎo)體的厚度進(jìn)而確定相鄰帶寬之間的距離數(shù)值；

5)根據(jù)之前所得出的電容值和介電常數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的微帶線的寬度；

6)使用ADS中計(jì)算工具計(jì)算出相應(yīng)的微帶線長(zhǎng)；

7)在ADS模型之中帶入上面的計(jì)算數(shù)值，并進(jìn)行優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)的可調(diào)帶通濾波器中心頻率1.0GHz～1.65GHz頻段之上實(shí)現(xiàn)靈活的電壓調(diào)節(jié)頻率，實(shí)現(xiàn)了650MHz范圍的可調(diào)區(qū)間，并且高頻在3dB處的帶寬基本穩(wěn)定于100MHz，低頻時(shí)在3dB處的帶寬則穩(wěn)定于50MHz。其中各部分元件參數(shù)為：L=25mm、W1=0.3mm、W2=1.9mm、W3=2mm、S1=0.24mm、S2=1.4mm、C=5.1pF、電常數(shù)Er=3.48、厚度h=0.508mm。當(dāng)調(diào)控電壓V=0時(shí)，此時(shí)的中心頻率為1.25GHz，在1.3GHz處的衰減30db，帶寬為100MHz，實(shí)現(xiàn)了初始的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如圖5。

圖5 中心頻率1.3GHz仿真結(jié)果

而當(dāng)電路之中開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)候，此時(shí)的濾波器則是高頻的調(diào)節(jié)狀態(tài)，濾波器經(jīng)過(guò)電壓的調(diào)控后仿真結(jié)果如圖6和圖7和圖8。

圖6 中心頻率1.4GHz仿真結(jié)果

圖7 中心頻率1.5GHz仿真結(jié)果

圖8 中心頻率1.65GHz仿真結(jié)果

上圖之中分別是處于高頻的時(shí)候ADS仿真結(jié)果。其中心頻率分別是在1.4GHz、1.5GHz、1.65GHz時(shí)的仿真結(jié)果，上述中心頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)控電壓值分別為4V、12V、20V三種調(diào)節(jié)情況，在低頻時(shí)候的帶寬也基本保持于100MHz，圖示結(jié)果也有著較好的下降沿，同時(shí)帶外的抑制也是符合在低頻率處較緩和，高頻率處上升陡峭的特點(diǎn)。從以上三個(gè)頻率點(diǎn)的選取，驗(yàn)證了濾波器在高頻時(shí)候的頻率可重構(gòu)特性和帶寬的基本保持不變。

而當(dāng)加載開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候由于等效線長(zhǎng)的增加，整個(gè)濾波器則又會(huì)處于低頻之中，其仿真結(jié)果如圖9和圖10和圖11。

圖9 中心頻率在1.25GHz仿真結(jié)果

圖10 中心頻率在1.15GHz仿真結(jié)果

圖11 中心頻率1.0GHz仿真結(jié)果

上圖是低頻狀態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果，它們的中心頻率分別為1.25GHz、1.15GHz、1.0GHz，這幾個(gè)頻率點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的調(diào)控電壓分別為0V、4V、8V。在調(diào)控電壓的時(shí)候，中心頻率也會(huì)隨之改變。但是通帶之外的下降沿是差于高頻時(shí)候的。在低頻率的時(shí)候，帶寬也基本穩(wěn)定于50MHz。從低頻時(shí)選取的三點(diǎn)仿真結(jié)果也可以較好的驗(yàn)證濾波器在低頻時(shí)的頻率可重構(gòu)特性且?guī)捲诘皖l時(shí)基本維持50MHz不變。

其高低頻狀態(tài)的控制中心頻率和帶寬見(jiàn)表1和表2。

表1 高頻狀態(tài)控制

表2 低頻狀態(tài)控制

4 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)采用電壓調(diào)節(jié)和加載控制開(kāi)關(guān)的方法。通過(guò)ADS仿真了一款在高低頻率兩個(gè)狀態(tài)下，帶寬維持在各自狀態(tài)不變，且頻率可調(diào)的帶通濾波器。設(shè)計(jì)之中使用電調(diào)的方式，通過(guò)電壓的改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于中心頻率和帶寬保持的控制，它的調(diào)節(jié)中心頻率在1.0GHz到1.65GHz之間進(jìn)行變換，有著650MHz的可調(diào)區(qū)間，并且其帶寬的變化區(qū)間在高低頻時(shí)分別保持在100MHz和50MHz，只有低頻率段的通帶中插入耗損稍微大點(diǎn)之外，大部分調(diào)控區(qū)間插損都小于3dB。而處于高頻狀態(tài)時(shí)帶外低頻方向衰減緩和，高頻處衰減比較陡峭，有著良好的滾降性，由此通過(guò)ADS仿真結(jié)果驗(yàn)證了這款頻率帶寬可調(diào)節(jié)濾波器是較為優(yōu)良的，設(shè)計(jì)的方案具有可行性。