基于工字型双模谐振器的恒定带宽调频滤波器的设计

刘 畅，魏淑华，王 霄，万 晶

(1.北方工业大学 信息学院，北京 100144；2.中国科学院微电子研究所 新一代通信射频技术北京市重点实验室，北京 100029)

0 引 言

随着无线通信系统的发展及5G频段的推广应用，射频微波滤波器作为无线通信中射频前端的关键器件受到了广泛关注，提高其带宽选择性与带外抑制度成为目前主要的研究方向之一。以梳状线型、半开环型等为代表的交叉耦合拓扑结构滤波器的综合理论与设计方法已十分成熟，此类滤波器具有较好的带外抑制度和选择性，但实现带宽有限且尺寸较大，不符合当前宽频调节、小型化的滤波器设计需求。多模谐振器具有结构紧凑、低损耗、成本低、易于实现和平面集成等优点，为设计更高性能的可调滤波器提供了一种有效解决方案。目前，大多数文献关于平面多模滤波器的设计都采用单级谐振器结构，在频率选择和阻带抑制方面性能不高，限制了多模谐振结构滤波器的应用范围。

通过提高双模谐振器的阶数可以较好地提高多模滤波器的带外抑制度和频率选择性[1-2]。Wu等[3]采用三角盘双模谐振器实现了双模二阶带通滤波器，其传输零点位于低阻带，而高阻带并无传输零点，因此选择性较差，且尺寸较大。Gorur等[4]基于相同的耦合拓扑，采用了支节加载半波长谐振器，该滤波器具有优良的带外抑制度与选择性。Cheng等[5]采用耦合1/4波长的阶梯阻抗谐振器(SIR)，设计了一款四阶交叉耦合的带通滤波器，利用1/4波长阶梯阻抗谐振器的杂散位于三倍频特性，有效增加了阻带宽度。Ren[6]等提出一种基于1/4波长谐振器的E型双模结构双通带绝对带宽恒定带通滤波器，其结构紧凑，低阻带具有一传输零点且带外抑制大于30 dB。采用基于工字型双模谐振器二阶耦合拓扑结构，此滤波器能够在可调频率1.5～2.0 GHz中心频点范围内建立具有3个传输零点、高选择性的通带响应，调谐过程中为保持通带宽度和带外抑制等性能稳定，带外传输零点可独立控制，用以获得理想的阻带响应。通过仿真并测试，验证了其可行性，结果表明，该滤波器具有椭圆函数带通响应，具有良好的选择性和带外抑制能力。

1 工字型双面谐振器

采用工字型双模谐振器由两段相同的开路枝节和一段短路枝节并加载4个可变电容构成，如图1所示。由于工字型双模谐振器介质均匀且结构对称，分别运用奇模激励与偶模激励两种状态对谐振器进行分析，进而简化运算[4]。奇偶模等效电路如图2所示。

图1 单级谐振器模型

图2 奇偶模等效电路图

如图(a)所示，在奇模激励下，将对称面视为电壁，此时中心对称面可看作短路面，传输线短路阻抗为：

(1)

传输矩阵：

在奇模情况下，Zload=0，得到

奇模输入阻抗为：

(2)

(3)

(4)

根据传输矩阵可知，负载Ce的导纳为：

(5)

因此，偶模导纳为3个导纳的并联，即可得到：

Yine=Yine1+Yine2+jωCe2

(6)

奇偶模谐振频率fo和fe可以通过解相应的谐振条件获得。根据谐振条件Yin=0，得到奇偶模的谐振频率分别为：

(7)

式中：c为真空中的光速，εeff为基板的有效介电常数。观察公式(3)和(6)可以发现，奇模谐振频率被Co控制，而偶模谐振频率由Ce和Ce2同时控制。当谐振器中微带线L1、L2、L3长度一定时，改变相应电容C可使滤波器带宽可调[5]。

可调滤波器实际进行综合时，滤波器终端的外部Q值描述该器件的频率选择性。调节外部品质因数Q所得到的滤波器仿真曲线如图3所示。品质因数通常定义为在谐振频率下一个周期内的平均储能与平均耗能之比。通过控制外部品质因数Q可调节滤波器带宽，Q值越高，滤波器的带宽越窄。在带通滤波器网络中：

图3 C1对滤波器响应的影响

(8)

在绝对带宽(FBW)恒定条件下，外部Q值与耦合馈线的元件值有关。采用谐振器与馈线中间加载短路支节串联变容二极管结构，谐振长度不变，调节变容管即可在恒定带宽条件下独立改变外部品质因数[7]。

2 恒定带宽调频滤波器设计

基于工字型双模谐振器的恒定带宽调频滤波器结构如图4所示。

图4 本研究的二阶谐振器结构

采用两谐振器串联的方式以获得更好的带外抑制度，二阶可重构滤波器耦合拓扑结构如图5所示。该滤波器具有两个独立耦合的谐振器，其中谐振器模式1与谐振器模式3分别对应谐振器1中的奇模和偶模，谐振器模式3和4分别对应谐振器2中的奇模和偶模。

图5 二阶滤波器耦合拓扑结构

为实现中心频率的增加并保持恒定带宽，可以通过按比例降低L2和增加L3调节奇偶模响应频率，对比如图6和图7。通过调节相应的枝节线长度，可调滤波器响应与传输线模型显示出明显的一致性。同样按比例增加L4长度，可以实现回波损耗的调节。观察图8可以看出带外抑制度的独立改变，这样能够加大高频阻带的抑制度，同时也使阻带带宽更宽。

图6 L2对奇模谐振模式的影响

图7 L3对偶模谐振模式的影响

图8 L4对带外抑制的影响

图9给出中心频点从1.4～2.0 GHz并保持400 MHz的带宽频率响应。带外抑制30 dB以上，带内插入损耗3.6 dB。第一、第二零点在调节过程中分别跟随模频率和偶模频率一起移动，这使得整个滤波器的调节过程中，通带依然有两个陡峭的通带边沿能够保持高选择性[8]。

电路设计在厚度为0.508 mm的Rogers_4350b基板上，可变电容选用Skyworks公司的SMV1231、SMV1232和SMV1234，固定电容则为0402封装瓷片电容，电阻为0402封装10 KΩ贴片电阻。整个电路的物理版图如图9所示，其对应的电路参数为：Z1=50 Ω，θ1=25°,Z2=100 Ω，θ2=50°(参考频率fd=1.8 GHz)，奇模谐振频率可调范围可以覆盖偶模谐振频率，以实现最大的中心频率调节。二阶滤波器版图如图3～6所示，双模谐振器之间加入两个独立耦合结构控制。串联可调电容C6调节双级间耦合，且在双模谐振下方新添加了一个开路支节加载变容管C5，引入一个极点构成了第三个极点。电磁耦合过程中，此结构会在带外右侧产生一个可调谐零点，从而增加滤波器的选频能力。

图9 滤波器调频仿真结果

3 测试结果及分析

优化得到滤波器最终尺寸为L1=5 mm，L2=5 mm，L3=0.5 mm，W1=0.55 mm，L4=7 mm，L5=5 mm，W2=0.4 mm。滤波器加工实物如图10所示，整体尺寸30 mm×25 mm。

图10 实物加工图

滤波器的固定带宽调节中心频点测试结果如图11所示。在固定400 MHz带宽条件下，中心频率从1.4 GHz调节到2.0 GHz，具有较大的调谐范围，右侧带外的阻带抑制可以通过调节传输零点与外部品质因数Cm进行补偿。带宽内最大插入损耗4.5 dB，3个传输零点在调节过程中保持恒定带宽，以保持高选择性，回波损耗大于30 dB。仿真与测试结果对比如图12所示。从图中可以看出，实际测试Q值低于仿真，推测可能是引入有源器件导致滤波器整体Q值下降。左侧带宽极点位置与仿真相同，且带外极点工作在相同频率，仿真与测试对比图验证了仿真设计的可行性，展现出该滤波器良好的性能，对设计思路的有效性进行了验证。

图11 调频测试结果

图12 仿真测试对比

此次提出的可调滤波器与其他可调滤波器保持了近似的表现，提出的滤波器与参考文献6、9相比，在相似尺寸下具有更宽的中心频点调谐范围和较高的阻带抑制，如表1所示[6，7，9，10]。

表1 与文献中其他可调滤波器对比

4 总结

讨论了可重构滤波器的调节方式并进行了比较，提出一个基于变容二级管电调节谐振长度的频点可调滤波器。对工字型双模谐振器与传输线模型进行推导与分析，并进行了仿真和测试验证。测试结果表明，这种滤波器具有椭圆函数的带通响应，对测试结果和仿真结果进行拟合，结果显示具有较好的一致性。滤波器的带外抑制度和选择性得到有效提高，宽范围的频点调节能够广泛运用到无线通信系统中。