一種新型微帶雙?？烧{(diào)濾波器設(shè)計(jì)

秦緒嶸，和新陽(yáng)

（中國(guó)空間技術(shù)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(diào)濾波器設(shè)計(jì)

秦緒嶸，和新陽(yáng)

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

摘要：基于開(kāi)環(huán)雙模諧振器設(shè)計(jì)了一種新型的變?nèi)莨芗虞d的微帶可調(diào)濾波器。首先，根據(jù)雙模諧振器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用奇偶模方法分析了其諧振特性；然后，在理論分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適合頻率調(diào)節(jié)的雙模諧振器；最后，在固定頻率的雙模濾波器上加載變?nèi)荻O管，通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的反向偏置電壓實(shí)現(xiàn)了頻率的可調(diào)。該可調(diào)濾波器實(shí)現(xiàn)了2.7～2.9 GHz的中心頻率可調(diào)，且在可調(diào)范圍內(nèi)插入損耗小于5 dB，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微帶濾波器；雙模諧振器；變?nèi)荻O管；可調(diào)濾波器

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)，尤其是衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信，對(duì)通道的選擇性要求越來(lái)越高，對(duì)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(diǎn)。微帶雙模濾波器憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、成本低、易于集成，且插入損耗低，易產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信和無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，受到了許多研究人員的關(guān)注和重視。

微帶雙模濾波器由I.Wo1ff于20世紀(jì)70年代首次提出［1］，此后人們便對(duì)微帶雙模濾波器開(kāi)展了大量的研究。雙模諧振器在幾何結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，使其存在兩種簡(jiǎn)并模式，在兩種模式的正交面上通過(guò)加枝節(jié)引入微擾可以使二者分離，從而等效為兩個(gè)調(diào)諧電路，因此，一個(gè)雙模諧振腔就相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的級(jí)聯(lián)，從而使得濾波器所需的諧振器的數(shù)量減少一半，結(jié)構(gòu)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(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。J.R.Lee等人在2000年首次采用中心枝節(jié)加載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了中心頻率為2 GHz的雙模濾波器［2］，同時(shí)通過(guò)兩個(gè)諧振器的級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)出了具有一對(duì)帶外傳輸零點(diǎn)的四極點(diǎn)濾波器。J.S.Hong等人于2007年由單模諧振器設(shè)計(jì)出了一種開(kāi)環(huán)雙模濾波器，其奇偶模諧振之間不存在耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)可使由這種開(kāi)環(huán)雙模濾波器級(jí)聯(lián)的兩階濾波器實(shí)現(xiàn)有限輸零點(diǎn)位置的可控［3］。此后，微帶雙模濾波器便如雨后春筍般發(fā)展，在濾波器領(lǐng)域扮演著重要角色。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代無(wú)線通信事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，為了更高效地利用有限的頻譜資源，擴(kuò)頻、調(diào)頻、動(dòng)態(tài)頻率分配等技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，可調(diào)濾波器作為這些技術(shù)的關(guān)鍵器件也越來(lái)越受到重視。I.C.Hunter等人在1982年首次通過(guò)使用變?nèi)莨軐?shí)現(xiàn)了對(duì)梳狀線濾波器中心頻率的調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)了一款在3.2～4.9 GHz頻率可調(diào)的微帶梳狀線可調(diào)濾波器［4］。雙?？烧{(diào)濾波器是實(shí)現(xiàn)微波器件小型化的有效方法，研究人員在相關(guān)研究中也取得了大量的成果［5］。

文中在微帶開(kāi)環(huán)雙模諧振器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工了一款新型可調(diào)濾波器。首先對(duì)微波雙模方環(huán)諧振器進(jìn)行奇偶模分析，確定奇偶模的諧振頻率；然后通過(guò)加載變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)濾波器在2.7～2.9 GHz上插入損耗小于5 dB的頻率調(diào)節(jié)。

1　雙模諧振器的基本特性

文中的可調(diào)濾波器是在開(kāi)環(huán)雙模諧振器［6］的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，下面以形式最簡(jiǎn)單的雙模諧振器—方環(huán)雙模諧振器為例，對(duì)其原理進(jìn)行分析，方環(huán)雙模諧振器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。方環(huán)邊長(zhǎng)近似為四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，通過(guò)改變對(duì)稱處加載微擾枝節(jié)的大小和形狀可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的頻率響應(yīng)。由圖1可知，方環(huán)雙模諧振器關(guān)于圖中的虛線A-A'對(duì)稱，因此可以應(yīng)用經(jīng)典的奇偶模方法對(duì)其諧振頻率進(jìn)行分析，根據(jù)雙模諧振器模型，這種結(jié)構(gòu)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(shí)，分別通過(guò)端口1和端口2饋入等幅反相的信號(hào)，對(duì)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(jié)相當(dāng)于被短路掉，相應(yīng)的等效電路如圖2（a）所示。當(dāng)忽略諧振的不連續(xù)性時(shí)，奇模激勵(lì)的輸入導(dǎo)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(huán)各個(gè)部分的電長(zhǎng)度θ，θ′，θ″有關(guān)，與加載的枝節(jié)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，改變方環(huán)諧振器的邊長(zhǎng)相應(yīng)的奇模諧振頻率也會(huì)改變。

偶模情況時(shí)，分別通過(guò)端口1和端口2饋入等幅同相的信號(hào)，對(duì)稱線A-A′處電流值為零，可等效為理想磁壁（虛擬開(kāi)路），相應(yīng)的等效電路如圖2（b）所示。與奇模激勵(lì)時(shí)情況類(lèi)似，偶模激勵(lì)時(shí)的輸入導(dǎo)納Yin，e可表示為式（3）以及式（4）。根據(jù)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(huán)的邊長(zhǎng)L及加載枝節(jié)的長(zhǎng)度P都有關(guān)系，而上文中提到奇模諧振頻率只與方環(huán)諧振器的邊長(zhǎng)L有關(guān)，所以通過(guò)調(diào)節(jié)枝節(jié)長(zhǎng)度P，可以單獨(dú)改變偶模諧振點(diǎn)頻率。圖3中給出了奇模和偶模諧振頻率隨微擾加載枝節(jié)的長(zhǎng)度P變化的曲線（L=16.2 mm）。

由圖中曲線可知，隨著微擾枝節(jié)的長(zhǎng)度P的增長(zhǎng)，偶模諧振頻率降低。根據(jù)上述的奇偶模諧振頻率與方環(huán)邊長(zhǎng)L以及微擾枝節(jié)長(zhǎng)度P的關(guān)系，顯然可以通過(guò)在方環(huán)對(duì)應(yīng)的兩邊及微擾枝節(jié)的終端上加載電容器實(shí)現(xiàn)方環(huán)雙模諧振器的頻率調(diào)節(jié)。

2　可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)

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(jié)長(zhǎng)度變化曲線圖

設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管偏置電壓實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的雙模濾波器，需要分別設(shè)計(jì)固定頻率的濾波器以及偏置電路。根據(jù)上述理論分析，在對(duì)比多種雙模諧振器的優(yōu)缺點(diǎn)之后，文中的最終選擇如圖4所示的開(kāi)環(huán)形式的雙模諧振器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波器。

圖4　HFSS雙模諧振器參數(shù)示意圖

優(yōu)化之后的諧振器的物理參數(shù)值如表1所示，濾波器響應(yīng)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(gè)零點(diǎn)，通帶內(nèi)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(shè)計(jì)的要求。文中的可調(diào)濾波器是設(shè)計(jì)在20 mm*30 mm的厚度d=0.508 mm，介電常數(shù)εr=3.66，損耗角正切tanσ=0.004的Rogers RO4350介質(zhì)基板上的，其HFSS中的版圖如圖6所示。

表1　仿真優(yōu)化后濾波器各部分的幾何參數(shù)值表

圖5　HFSS中微帶結(jié)構(gòu)雙模諧振器S11和S21曲線圖

為了保證加工的準(zhǔn)確性，在仿真過(guò)程中對(duì)可調(diào)濾波器進(jìn)行容差分析，將分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考，使最終加工獲得的濾波器在誤差范圍內(nèi)的濾波響應(yīng)可被接受。首先確定分析的對(duì)象，即可能會(huì)對(duì)濾波響應(yīng)造成較大影響的物理參量以及加工時(shí)易出現(xiàn)誤差的因素。在此主要對(duì)接地孔在橫向和縱向兩個(gè)方向上的偏移以及輸入輸出耦合縫隙寬度進(jìn)行容差分析。

圖6　HFSS中可調(diào)濾波器示意版圖

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

3　可調(diào)濾波器仿真結(jié)果分析

圖7　接地孔沿橫向、縱向偏移、耦合縫隙容差分析結(jié)果示意圖

ADS中仿真得到的頻率響應(yīng)曲線如圖8所示，不同中心頻率及濾波帶寬對(duì)應(yīng)的變?nèi)荻O管的偏置電壓組合如表2所示。仿真中濾波器可以實(shí)現(xiàn)從2.7～2.9 GHz的中心頻率可調(diào)，插入損耗等參數(shù)也都實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，隨著可調(diào)濾波器中心頻率變大，其3 dB帶寬及相對(duì)帶寬都變寬，插入損耗變小。

圖8　濾波器可調(diào)范圍示意圖

表1　ADS仿真中可調(diào)濾波器不同中心頻率對(duì)應(yīng)的帶寬及偏置電壓表

4　結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了2.7GHz-2.9GHz中心頻率可調(diào)的微帶雙模濾波器。對(duì)雙模諧振器的諧振原理進(jìn)行了分析，還對(duì)設(shè)計(jì)的可調(diào)濾波器的敏感參數(shù)進(jìn)行了容差分析?；谠撛O(shè)計(jì)可以結(jié)合LTCC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波器的小型化，在無(wú)線通信系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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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(lèi)號(hào)：TN713+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0101-03

收稿日期：2015-05-10稿件編號(hào)：201505086

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