0 引言

    隨著通信技術(shù)的飛快發(fā)展，現(xiàn)在人們對(duì)電子電路的集成度,、可靠性,、體積大小等方面要求越來(lái)越高，而通信標(biāo)準(zhǔn)的制式也越來(lái)越多,，如3G標(biāo)準(zhǔn)的CDMA、WCDMA和目前4G標(biāo)準(zhǔn)的TD-LTE,、FDD-LTE以及無(wú)線局域網(wǎng)WLAN等,，而隨著5G的出現(xiàn)和推廣，頻譜占用越來(lái)越密集,，不同帶寬和不同中心頻率的濾波器成為新的研究?jī)?nèi)容^[1-2],。

    在實(shí)際民用無(wú)線通信中，雙頻段和多頻段應(yīng)用都較為廣泛,。對(duì)于傳統(tǒng)的頻率確定的濾波器,，要達(dá)到多頻段的選擇性，需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián),，這樣的組合不僅使得收發(fā)射頻端體積增大,，還會(huì)增大插入損耗使得濾波器的選頻效果變差，同時(shí)還會(huì)增加功率損失和制作成本,，由此研究學(xué)者們展開了對(duì)重構(gòu)濾波器的研究^[3],。本文重點(diǎn)研究微帶線雙模諧振器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型雙通帶濾波器,，在L頻段和S頻段實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu),。

1 可重構(gòu)技術(shù)

    可重構(gòu)濾波器自出現(xiàn)以來(lái)，相關(guān)技術(shù)一直在發(fā)展,。以前濾波器采用機(jī)械可調(diào)的方法^[4],，此種方法雖然可調(diào)范圍較大,，但調(diào)諧速度過(guò)慢且實(shí)現(xiàn)體積較大。此后出現(xiàn)的磁調(diào)諧可分為鐵氧體類和YIG類的磁調(diào)諧濾波器^[5],，該類可調(diào)濾波器調(diào)諧頻帶寬,，線性好，但成本太高,，調(diào)諧時(shí)間長(zhǎng),，而電可重構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)解決了此類問(wèn)題，采用外加電流或電壓的方式控制有源器件的方式,，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧便捷調(diào)諧時(shí)間短的要求,。電調(diào)諧的方法一般有射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF MEMS）^[6]，PIN開關(guān)二極管^[7]及其他功能性調(diào)諧原件^[9],，此類可重構(gòu)方法也有一定缺陷因?yàn)橐胝{(diào)諧器件,，加電實(shí)現(xiàn)的同時(shí)會(huì)引入偏置電路使得濾波器體積增大損耗增大。

    采用變?nèi)荻O管^[8]作為可重構(gòu)器件,，調(diào)諧速度快且易實(shí)現(xiàn),，同時(shí)加入電容減小了諧振長(zhǎng)度縮小了濾波器尺寸。因此本文采用變?nèi)荻O管調(diào)諧,，外加反向偏壓改變電容值,，通過(guò)分析變?nèi)莨苋葜祵?duì)諧振長(zhǎng)度的影響，選用合適變?nèi)莨芗爸C振器尤為重要,。

2 E型雙模諧振器

    通過(guò)上節(jié)的分析,，在本文研究的濾波器中采用E型雙模諧振器。此諧振器是由兩段相同的開路枝節(jié)和一段短路枝節(jié)構(gòu)成,，本文采用均勻阻抗諧振器,，其中短路枝節(jié)的阻抗與開路枝節(jié)相同，結(jié)構(gòu)如圖1,。

2.1 特征分析

    由于E型雙模諧振器中的介質(zhì)是均勻的且結(jié)構(gòu)對(duì)稱,，對(duì)于主模TEM，可采用奇偶模分析法,，即分別用奇模激勵(lì)和偶模激勵(lì)兩種狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行分析,。奇偶模等效電路如圖2所示。

    在奇模激勵(lì)下,，相當(dāng)于對(duì)稱面為電壁,，此時(shí)中心對(duì)稱面可看作短路面，此時(shí)從等效電路一端看進(jìn)去的輸入阻抗為：

設(shè)Y_inodd=0,，因此在奇模激勵(lì)的諧振條件為：

    在偶模激勵(lì)下,，相當(dāng)于對(duì)稱面為磁壁，此時(shí)中心對(duì)稱面可看作開路面，此時(shí)的輸入阻抗可求出為：

    設(shè)Y_ineven=0,，可看出在偶模激勵(lì)下的諧振頻率與電容c和兩段微帶線的電長(zhǎng)度θ₁,、θ₂有關(guān)，而

    因此在微帶線長(zhǎng)度L₁,，L₂一定時(shí),，改變電容c，可改變偶模諧振頻率達(dá)到可重構(gòu)的目的,。

    根據(jù)以上分析,，E型雙模諧振器在奇模下的諧振頻率與L₁有關(guān)；在偶模激勵(lì)下,，諧振頻率不僅與L₁,、L₂有關(guān)，還與電容c有關(guān),。取阻抗Z₁=Z₂=50 Ω,，由式（4）和式（5）得出電容c在L₁、L₂（L₁取4/λ_g附近）與諧振頻率的關(guān)系曲線如圖3,，可看出當(dāng)L₁,、L₂一定，取合適的電容c可設(shè)計(jì)出滿足L波段和S波段的雙通帶濾波器,。

    由圖3知,，選用合適的2～6 pF范圍內(nèi)的變?nèi)荻O管可滿足要求。本文采用Skyworks公司的SMV1413-079LF,，變?nèi)荼葹?.2,，Q值可達(dá)2 400。經(jīng)過(guò)仿真,，其電容-電壓曲線與數(shù)據(jù)手冊(cè)一致，本文設(shè)計(jì)取外部偏壓為1 V,、2.5 V,、5 V、10 V時(shí)電容分別為6.37 pF,、4.85 pF,、3.77 pF、2.85 pF,。

2.2 外部Q值提取

    實(shí)際進(jìn)行濾波器綜合時(shí),，尤其是在可調(diào)濾波器范疇，濾波器終端外部Q值的提取非常重要,，通過(guò)控制外部Q值可調(diào)節(jié)濾波器帶寬,。在帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)中；

    因此在絕對(duì)帶寬恒定下，外部Q值與耦合饋線的原件值有關(guān),，本文采用的4/λ_g諧振器中間加載短路枝節(jié)串聯(lián)變?nèi)荻O管,，諧振器長(zhǎng)度不變，調(diào)節(jié)饋線長(zhǎng)度及耦合縫隙即可保證絕對(duì)帶寬恒定,。

3 雙通帶可重構(gòu)濾波器的實(shí)現(xiàn)

3.1 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    上節(jié)分析了基本單元E型雙模諧振器,，本文采用兩個(gè)基本單元相互耦合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)通帶有兩個(gè)極點(diǎn),。在電磁耦合的過(guò)程中,，此結(jié)構(gòu)會(huì)在第一通帶和第二通帶之間產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，增加濾波器雙通帶的選頻作用,。具體結(jié)構(gòu)等效電路如圖4,。

    此結(jié)構(gòu)的饋電方式不同于以往傳統(tǒng)的濾波器采用抽頭式饋電，由于短路枝節(jié)加載變?nèi)荻O管電長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化,。由2.2節(jié)分析可知,，采用在底部平行耦合饋電可保證外部Q值變化較小，即平行耦合饋電在窄帶濾波器中應(yīng)用可使絕對(duì)帶寬變化較小,。通過(guò)在HFSS13.0優(yōu)化仿真,，可達(dá)到第一通帶絕對(duì)帶寬恒定的特性，解決了恒定帶寬同時(shí)中心頻率可重構(gòu)的這一難題,。

3.2 仿真優(yōu)化和測(cè)試

    根據(jù)圖4在HFSS13.0建立仿真模型,，采用羅杰斯4350作為介質(zhì)基板，ε_e=3.66,，h=1 mm,，介質(zhì)損耗為0.004。經(jīng)過(guò)以上分析及在仿真軟件中的優(yōu)化,，設(shè)計(jì)具體參數(shù)如下：w₀=2.1 mm,，w₁=0.5 mm，w₂=1.5 mm,，l₁=20 mm,，l₂=9.2 mm，l₃=7.6 mm,，s₀=0.2 mm,，s₁=0.9 mm，s₂=6.3 mm,，偏置電路中L=27 nH,，濾波器實(shí)物加工如圖5，整體尺寸為31×33 mm²,。

    如圖6,，通過(guò)在HFSS13.0的仿真，雙模E型諧振器實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，第一通帶變化范圍為1.60 GHz～1.92 GHz,，3 dB帶寬60 MHz,，第二通帶中心頻率在2.25 GHz，3 dB帶寬100 MHz,。根據(jù)圖6的仿真結(jié)果圖,，帶內(nèi)S(2，1)在1 dB左右浮動(dòng),，S(1,，1)在10 V時(shí)第一通帶兩個(gè)極點(diǎn)在

-12 dB和-17 dB，所有可重構(gòu)頻帶內(nèi)S(1,，1)最大在-10 dB,，S(2，1)在-1.4 dB,。

    測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖7,，各項(xiàng)指標(biāo)匯總?cè)绫?、表2,。由于加入偏置電路會(huì)使S參數(shù)指標(biāo)下降,，從圖中可看出S(1，1)基本在-10 dB,，實(shí)測(cè)結(jié)果展現(xiàn)出濾波器良好的性能,，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的有效性。

4 結(jié)論

    隨著無(wú)線通信的迅速發(fā)展,，雙頻帶阻濾波器的需求越來(lái)越廣泛,，對(duì)濾波器性能和尺寸的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在此背景下,，本文提出一種新型的雙通帶頻率可重構(gòu)絕對(duì)帶寬恒定的濾波器,，討論了可重構(gòu)技術(shù)方法并進(jìn)行比較，針對(duì)E型雙模諧振器參數(shù)對(duì)傳輸特性的影響,，采用的變?nèi)荻O管作為可重構(gòu)器件并進(jìn)行建模,、仿真和實(shí)物測(cè)試，設(shè)計(jì)出由兩個(gè)E型諧振器通過(guò)電磁耦合構(gòu)成的微帶帶通濾波器,，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好。該濾波器結(jié)構(gòu)有效電路尺寸較小,，只有0.15λ_g×0.16λ_g mm²,，達(dá)到小型化的要求。該結(jié)構(gòu)的帶通濾波器有較好的可重構(gòu)特性,，從1.6 GHz到1.9 GHz的四個(gè)頻帶內(nèi),，而且該均有較為平坦衰減較小的通帶特性。

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