頻率可調帶通-帶阻可切換濾波器的設計

李守湛,曹良足,鄧 笛

(景德鎮陶瓷大學 機械電子工程學院,江西 景德鎮 333403)

0 引言

隨著無線通信技術的不斷普及,生活中電磁干擾越來越多,微波濾波器作為射頻前端通信系統的重要組成器件,對于篩選和過濾信號起著至關重要的作用。多頻段無線系統需要使用可調諧或可切換的濾波器進行重新配置,國內外學者對可調諧濾波器[1-5]或可切換濾波器的研究較多[6-9],但對既可調諧又可切換的濾波器研究較少[10-13]。

文獻[6]基于平行耦合線設計了一款3種傳輸模式的濾波器,但其帶阻模式下的性能較差,且使用過多的PIN開關二極管并未實現足夠多的傳輸模式;文獻[7]基于T型諧振器使用4個PIN開關二極管設計了一款3種傳輸模式的濾波器,但只能通過改變物理尺寸實現中心頻率和帶寬的調節。文獻[8]基于山字形多模諧振器,使用3個PIN開關二極管設計了一款6種傳輸模式的濾波器,但其選擇性不好。文獻[9]基于環形諧振器,使用單刀雙擲開關和PIN開關二極管設計了一款帶通-帶阻濾波器。文獻[10]通過在輸入輸出饋線間加載射頻-微機電系統(RF-MEMS)開關實現帶通到帶阻兩種模式的可切換,在諧振器間加載變容管調整耦合實現帶寬的可調諧。文獻[11] 使用無源特性的憶阻器Pi模型設計了一款帶通-帶阻可切換的濾波器,但兩種模式下阻帶的選擇性都不好,同時因為缺少憶阻器的商用模型,無法給出實物測試數據。文獻[12]采用諧振器級聯,使用單刀雙擲開關驗證了二階、三階級聯實現帶通與帶阻兩種模式可切換的可行性。文獻[13]通過在輸入輸出饋線間加載PIN開關二極管設計了一款帶通帶阻可切換的濾波器,在諧振器開路端加載變容二極管實現中心頻率的可調諧。

本文提出了一款中心頻率可調的高選擇性帶通帶阻可切換濾波器,通過1個PIN開關二極管和4個變容二極管設計了一款帶通模式中心頻率可調范圍3.45～4.25 GHz、帶阻模式中心頻率可調范圍3.6～4.2 GHz的響應可重構微波濾波器。最后對濾波器進行加工制作,實測與仿真結果基本一致。

1 濾波器結構設計與分析

圖1為本文提出的濾波器結構,主要由輸入輸出饋線、一對λ/2(λ為波長)開路諧振器、變容二級管和PIN開關二極管組成。通過在距諧振器開路端約1/4處加載變容二極管,調諧變容二極管偏置電壓可實現中心頻率的調諧,在輸入輸出饋線間加載PIN開關二極管實現帶通與帶阻兩種模式的可切換,PIN開關二極管零偏狀態等效小電阻表現為帶通模式,正偏狀態等效小電阻實現帶阻模式,同時因為引入源于負載間的耦合,在阻帶產生了傳輸零點,提高了選擇性和阻帶抑制。此外,隔直電容Cb和偏置電阻Rb在電路中分別起隔直和防止射頻泄露的作用。

圖1 濾波器結構圖

1.1 耦合拓撲結構分析

圖2為本文所提出的濾波器拓撲結構。通過在輸入輸出饋線間引入PIN開關二極管作為射頻開關,實現帶通與帶阻兩種傳輸模式的可切換。PIN開關二極管在零偏時等效為1個小電容,此時開關等效為斷開狀態,濾波器工作在帶通模式;當PIN二極管正偏時則等效為1個小電阻,此時開關等效為閉合狀態,濾波器工作在帶阻模式。

圖2 耦合拓撲圖

如圖3所示,由于在輸入輸出饋線之間引入源與負載耦合,在上阻帶產生了一個傳輸零點,由于兩個諧振器之間存在電磁混合耦合,在下阻帶也產生了一個傳輸零點,兩個傳輸零點的產生增加了濾波器的選擇性和阻帶抑制。

圖3 有無源與負載耦合影響

1.2 可調諧振器分析

對于λ/2開路諧振器,微帶線長度決定了諧振頻率,可通過在距諧振器開路端約1/4處加載變容二極管,利用電容等效微帶線長度的原理可減小諧振器尺寸,同時實現中心頻率可調諧。

本文提出的諧振器等效電路如圖4所示。在距λ/2開路諧振器開路端約1/4處分別加載變容管Cv1和Cv2。

圖4 可調諧振器

其P1位置端口導納Yin為

Yin=jωCv1+jY2tanθ2+

(1)

Yin1=jωCv2+jY3tanθ3

(2)

式中:θ1為長度L1及諧振角頻率ω對應的電長度;θ2為長度L2及諧振角頻率ω對應的電長度;θ3為長度L3及諧振角頻率ω對應的電長度;Y1,Y2,Y3分別為相應傳輸線的特性導納。

由于諧振器諧振條件:

Yin=0

(3)

則有:

(4)

(5)

由式(4),(5)可得:

(6)

(7)

式中:ω′為諧振角頻率;θ′1為長度L1及諧振角頻率ω′對應的電長度;θ′2為長度L2及諧振角頻率ω′對應的電長度;θ′3為長度L3及諧振角頻率ω′對應的電長度。

由式(6),(7)可知,諧振器的諧振頻率可通過電容Cv1與Cv2的容量進行調節。

圖5為諧振頻率隨電容Cv1與Cv2的容量變化的結果。由圖可看出,Cv1與Cv2的容量大小改變都會引起諧振頻率的變化。因此,通過加載變容二極管可實現濾波器中心頻率的可調諧。

圖5 頻率隨電容容量變化關系

耦合系數k為

(8)

式中f1,f2分別為模式1、2的工作頻率。

圖6為電容Cv1與Cv2容量改變過程中耦合系數的變化。由圖可看出,電容Cv1容量增大,耦合系數減小;電容Cv2容量增大,耦合系數增大。因此,對電容Cv1與Cv2同時調節可保持耦合系數相對不變,從而保持電調范圍內帶寬恒定。

圖6 耦合系數隨電容容量變化關系

圖7為中心頻率調諧過程中耦合系數隨頻率變化的關系。由圖可看出,耦合系數相對變化率為15.8%,故濾波器的帶寬在電調范圍內可幾乎保持恒定。

圖7 耦合系數隨頻率變化關系

外部品質因數Qe為

(9)

式中f0為中心頻率。

圖8為實驗提取的Qe與理論Qe隨頻率變化的比較。由圖可看出兩條曲線存在合理的一致性。

圖8 提取的Qe與理論Qe的比較

1.3 仿真結果分析

圖9為濾波器帶通響應Cv1與Cv2不同容值下的傳輸曲線與反射曲線。

圖9 帶通響應仿真結果

由圖9可看出,同時調諧Cv1與Cv2可使濾波器中心頻率在3.45～4.25 GHz內連續可調,調諧過程中絕對帶寬為(210±5) MHz,插入損耗為0.42～0.57 dB,回波損耗優于24 dB。2個傳輸零點在調諧過程中一直存在,且相對通帶位置基本不變,進一步證明了濾波器具有良好的選擇性與阻帶抑制。

圖10為濾波器帶阻響應Cv1與Cv2不同容值下的傳輸曲線與反射曲線。由圖可看出,同時調諧Cv1與Cv2可使濾波器中心頻率在3.6～4.22 GHz內連續可調,調諧過程中絕對帶寬為(90±10) MHz,阻帶內衰減優于18 dB,插入損耗低于0.4 dB。

圖10 帶阻響應仿真結果

2 實物制作與結果測試

設計中,仿真軟件使用ADS與HFSS聯合仿真,利用ADS仿真的速度優勢對電路原理圖進行仿真優化得到粗模型,再利用HFSS仿真與實際樣品的相似性進行建模驗證結構有效性,對結構參數微調優化得到細模型,可有效地提高仿真的效率。

為驗證仿真結果與實際的差異,使用介電常數εr=2.2、板厚h=1 mm、損耗正切tanδ=0.000 9的F4BM介質基板制作了一款頻率可調帶通-帶阻可切換濾波器。最終得到的濾波器結構參數(見圖1)為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。濾波器整體尺寸為44.4 mm×16.1 mm,即0.59λg×0.21λg(其中λg為調諧范圍中心頻率對應波長),由于沒有合適的最小可調電容(為0.14 pF)的變容二極管,故Cv1和Cv2選用可調范圍相對接近的SMV2019(C=0.3～2.25 pF,Rs=4.8 Ω),PIN開關二極管選用SMP 1345-079LF。最終制作的濾波器實物如圖11所示。使用矢量網絡分析儀Agilent E5071B對濾波器的傳輸與反射特性進行測量。

圖11 可切換濾波器實物圖

當開關二極管不加偏壓,開關斷開,濾波器為帶通狀態,然后在變容二極管加反偏壓,圖12為帶通響應的測量結果。由圖可看出,隨著直流電壓的改變,濾波器在3.45～3.90 GHz內連續可調,絕對帶寬保持恒定。測量出的插入損耗為4.4～4.6 dB,回波損耗優于13 dB,兩側傳輸零點一直存在,進一步說明了濾波器在可調范圍內具有良好的選擇性。

圖12 帶通響應測試結果

當開關管加正偏壓,開關二極管導通,濾波器為帶阻狀態,然后在變容二極管上加反偏壓,圖13為帶阻響應的測量結果。

圖13 帶阻響應測試結果

由圖13可看出,隨著直流電壓的改變,濾波器在3.45～3.90 GHz內連續可調。測量出阻帶內衰減優于9 dB,通帶插入損耗低于0.8 dB。

測量結果發現,帶阻狀態阻帶內衰減較差,其原因主要由變容二極管寄生電阻與加工過程中焊接器件誤差造成。圖14為帶阻狀態變容二極管串聯電阻仿真結果。由圖可看出,隨著電阻Rs的增大,阻帶內衰減隨之變差,采用高Q值GaAS變容二極管可減小誤差。

圖14 串聯電阻仿真結果

3 結束語

本文采用一對λ/2(λ為波長)諧振器加載1個PIN開關二極管和4個變容二極管設計了一款頻率可調帶通與帶阻可切換的濾波器。通過對耦合系數與外部Q值的分析,選取合適的參數實現了濾波器絕對帶寬在調諧范圍內保持恒定。通過引入源與負載耦合及諧振器之間的電磁混合耦合產生傳輸零點,提高濾波器的選擇性與帶外抑制。最終實物測量與仿真結果基本一致,其差異由變容二級管寄生電阻與加工過程中焊接器件誤差造成。選用高Q值GaAS變容二極管有望減小插入損耗。該濾波器尺寸為44.4 mm×16.1 mm(0.59λg×0.21λg),結構簡單,基本滿足小型化的要求,同時該濾波器在多用途無線通信系統中也具有極大的潛力。