基于中心对称结构的带宽可重构滤波器设计_凌锐.pdf

电 子 测 量 技 术E L E C T R ON I CME A S UR EME N TT E CHNO L OG Y第4 6卷 第1期2 0 2 3年1月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 1 0 2 4 9基于中心对称结构的带宽可重构滤波器设计凌 锐 于 映(南京邮电大学集成电路科学与工程学院 南京2 1 0 0 2 3)摘 要:为适应需求日益复杂的无线通信环境,充分利用紧缺的频谱资源,设计实现了基于中心对称结构及变容二极管的电可调微带带通滤波器。通过电磁仿真软件H F S S进行仿真实验,在加载枝节的开口环谐振器结构上,引入叉指结构和马刺线型耦合馈线完成滤波器的原型设计。在原有的基础上加入可调节电容值的变容二极管,调节低频传输零点,实现通带带宽可重构,从而达到灵活控制滤波性能的目的。实际测试表明该滤波器的初始相对带宽为5.1%,初始绝对带宽为1 7 0MH z,变容二极管调节绝对带宽在1 4 02 0 0 MH z范围内,即8 2.4%1 1 7.6%,中心频率在2.7 02.7 6GH z,传输零点调谐范围在2.5 72.6 3GH z,通带内插入损耗在0.91.5d B,回波损耗在1 03 5d B,测试结果与仿真基本相符,在S波段的带宽精密控制方向具有一定应用前景。关键词:变容二极管;带宽可重构;传输零点;带通滤波器;中心对称 中图分类号:T N 7 1 3 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:5 1 0.1 0 5 0D e s i g no fb a n d w i d t hr e c o n f i g u r a b l e f i l t e rb a s e do nc e n t r o s y mm e t r i c s t r u c t u r eL i n gR u i Y uY i n g(C o l l e g eo f I n t e g r a t e dC i r c u i tS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,N a n j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t s a n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,N a n j i n g2 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oa d a p t t ot h e i n c r e a s i n g l yc o m p l e xw i r e l e s sc o mm u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dm a k ef u l lu s eo f t h es c a r c es p e c t r u mr e s o u r c e s,t h i sp a p e r d e s i g n s a n d i m p l e m e n t s a ne l e c t r i c a l l y t u n a b l em i c r o s t r i pb a n d p a s s f i l t e r b a s e do nc e n t r o s y mm e t r i cs t r u c t u r ea n dv a r a c t o rd i o d e s.T h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e HF S Si su s e dt oc o n d u c ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s.O n t h e s p l i t r i n gr e s o n a t o r s t r u c t u r e l o a d e dw i t hb r a n c h e s,a n i n t e r d i g i t a l s t r u c t u r e a n da s p u r-s h a p e dc o u p l e df e e d e ra r ei n t r o d u c e dt oc o m p l e t et h ep r o t o t y p ed e s i g no ft h ef i l t e r.O nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a l,av a r i a b l ec a p a c i t a n c ed i o d ew i t ha d j u s t a b l e c a p a c i t a n c ev a l u e i sa d d e d t oa d j u s t t h e l o w-f r e q u e n c y t r a n s m i s s i o nz e r op o i n tt or e a l i z e t h e r e c o n f i g u r a t i o no f t h ep a s s b a n db a n d w i d t h,s oa s t oa c h i e v e t h ep u r p o s e o f f l e x i b l y c o n t r o l l i n g t h e f i l t e r i n gp e r f o r m a n c e.T h ea c t u a l t e s t s h o w s t h a t t h e i n i t i a l r e l a t i v eb a n d w i d t ho f t h e f i l t e r i s5.1%,t h ea b s o l u t eb a n d w i d t hi s1 7 0MH z,t h ea b s o l u t eb a n d w i d t ha d j u s t e db yt h ev a r a c t o rd i o d e i s i nt h er a n g eo f 1 4 02 0 0MH z,t h a t i s,8 2.4%1 1 7.6%,t h ec e n t e r f r e q u e n c yi si nt h er a n g eo f2.7 02.7 6GH z,a n dt h et r a n s m i s s i o nz e r op o i n tt u n i n gr a n g ei s2.5 72.6 3GH z,t h e i n s e r t i o n l o s s i nt h ep a s s b a n d i s i nt h e r a n g eo f 0.91.5d B,a n dt h e r e t u r n l o s s i s i nt h e r a n g eo f 1 03 5d B.T h e t e s t r e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o n,a n di th a sc e r t a i na p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h ed i r e c t i o no fp r e c i o u sb a n d w i d t hc o n t r o l i nt h eS-b a n d.K e y w o r d s:c e n t r o s y mm e t r i c;v a r a c t o rd i o d e;r e c o n f i g u r a b l eb a n d w i d t h;t r a n s m i s s i o nz e r o;b a n d p a s s f i l t e r 收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 80 引 言 在社会信息化快速稳固的进程中,无线通信技术作为传播信息的主要媒介也得到了快速发展与运用。其中滤波器作为无线通信系统的关键组件,在滤除杂波、保证传输质量效率方面有着不可或缺的作用1。然而由于通信环境日益复杂多变,以及信息产业化后对无线信号传输精度与品质要求逐步提高,传统滤波器不可调节的滤波性能已无法满足要求。因此性能可重构已逐渐成为新型滤波器件的重要设计方向。可重构射频滤波器的优势在于可灵活应对实际通信应用中不同的性能需求,其不仅可以简化电路设计,还优化了系统体积,进一步降低成本2。当前国内外可重构滤波器的研究主要有单通带、多通带的性能实现,以及中心频241凌 锐 等:基于中心对称结构的带宽可重构滤波器设计第1期率、带宽、传输零点3个重构方向。其中典型的是通过加载变容二极管控制奇偶模谐振频率从而实现中心频率 可调3,其所采用的奇偶模分析法提供了便捷易懂的谐振器分析思路和调节原理,但仅限于轴对称结构的设计分析。且相较于中心频率而言,带宽和传输零点的重构实现难度更大,有学者提出了通过在缺陷地结构上加载p i n管,实现双带宽切换的中心频率可调节4,但无法实现带宽的连续可调。常见的设计是在对称阶梯阻抗结构末端加载变容二极管5影响其多模谐振频率,通过调节电容值重构带宽,其调节变化较大,不适合应用在有一定精度要求的应用场景。本文提出了一种中心对称并加载变容二极管的带宽可重构带通滤波器。该设计不限制在轴对称结构范围内,通过在基本的中心对称谐振器上加载叉指结构以及平行耦合馈线上的马刺线结构增强耦合,在构建多条耦合路径的同时,引入传输零点,提高带外抑制性能与选择性。并通过变容二极管引入结构外的可持续变化的电长度,实现调节传输零点,最终达到以较高的调节精度实现带宽重构的设计目的。为了证明这一设计的可实现性,进行了实际加工测试,测试结果与仿真结果有较高吻合度。1 谐振器设计与分析1.1 谐振器结构 本文采用1/4波长均匀阻抗开口环内加载开路枝节的基础结构加载,并在环内非轴对称位置的开路枝节两部分组成,通过1 8 0 旋转,得到中心对称谐振器结构,增加了信号的传输路径,如图1所示。在原型谐振器设计中,通过两端枝节的相互耦合来引入传输零点6,实现高选择性,后续进行结构优化,在开路枝节原耦合区域加入叉指结构,增加耦合强度。图1 谐振器结构1.2 谐振器频率分析 单个谐振器的等效电路,如图2所示,由于采用的谐振器为非轴对称结构,故奇偶模分析方法不再适用。由示意图可知,单个谐振结构可等效为三段电长度不同的传输线串并联构成,Y1为均匀阻抗传输线的电导,Y2为加载在该传输线上的枝节的电导,根据传输线理论以及阻抗谐振器理论可进行以下分析。图2 单个谐振器等效示意图将等效结构右端看作电长度为1和2的传输线并联,其得到的输入导纳Y 可以表示为式(1):Y=jY2t a n2+jY1t a n1(1)进而由Y 与电长度3串联得到单个结构谐振器的总输入导纳:Yi n=jY1Y1t a n3+YY1-Y t a n3(2)根据谐振器的谐振条件Yi n=0,可以联立式(1)、(2)得到式(3),推导后得到该结构的谐振条件式(4):Yi n=jY1Y1t a n3+j(Y2t a n2+Y1t a n1)Y1-j(Y2t a n2+Y1t a n1)t a n3(3)Y1Y2=t a n2j t a n2-t a n1(4)1.3 引入叉指结构 在原有的谐振器结构基础上,加入叉指结构可进一步增强耦合,产生低频传输零点,提高低频部分带外抑制性能7。其等效电路结构,如图3所示,等宽等长等间隙的平行微带线可看作一组平行耦合线阵8,其单根微带可以等效为自电容,而相