E型双通带可重构带通滤波器

毋 茜，金 龙

(电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都611731）

E型双通带可重构带通滤波器

毋 茜，金 龙

(电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都611731）

由于通信领域对于多频带可调谐滤波器的要求，基于E型谐振器加载变容二极管设计了紧凑型频率可重构带通滤波器，并通过电磁仿真软件 HFSS13.0进行验证。采用奇偶模分析法分析了E型双模谐振器特性，通过改变加载电容的外加偏压值控制偶模谐振长度，第一通带可调范围达到 18.2%（1.60～1.92 GHz），通过调整馈线长度和缝隙控制外部Q值同时保证绝对带宽恒定为60 MHz，第二通带（2.25 GHz）保持不变，其加工实物测量结果与仿真结果相对吻合。

变容二极管；频率可重构；带通滤波器；E型谐振器

0 引言

随着通信技术的飞快发展，现在人们对电子电路的集成度、可靠性、体积大小等方面要求越来越高，而通信标准的制式也越来越多，如3G标准的CDMA、WCDMA和目前4G标准的TD-LTE、FDD-LTE以及无线局域网WLAN等，而随着5G的出现和推广，频谱占用越来越密集，不同带宽和不同中心频率的滤波器成为新的研究内容[1-2]。

在实际民用无线通信中，双频段和多频段应用都较为广泛。对于传统的频率确定的滤波器，要达到多频段的选择性，需要两个或两个以上的滤波器进行级联，这样的组合不仅使得收发射频端体积增大，还会增大插入损耗使得滤波器的选频效果变差，同时还会增加功率损失和制作成本，由此研究学者们展开了对重构滤波器的研究[3]。本文重点研究微带线双模谐振器，设计实现了新型双通带滤波器，在L频段和S频段实现频率可重构。

1 可重构技术

可重构滤波器自出现以来，相关技术一直在发展。以前滤波器采用机械可调的方法[4]，此种方法虽然可调范围较大，但调谐速度过慢且实现体积较大。此后出现的磁调谐可分为铁氧体类和 YIG类的磁调谐滤波器[5]，该类可调滤波器调谐频带宽，线性好，但成本太高，调谐时间长，而电可重构技术的出现解决了此类问题，采用外加电流或电压的方式控制有源器件的方式，实现调谐便捷调谐时间短的要求。电调谐的方法一般有射频微机电系统（RF MEMS）[6]，PIN开关二极管[7]及其他功能性调谐原件[9]，此类可重构方法也有一定缺陷因为引入调谐器件，加电实现的同时会引入偏置电路使得滤波器体积增大损耗增大。

采用变容二极管[8]作为可重构器件，调谐速度快且易实现，同时加入电容减小了谐振长度缩小了滤波器尺寸。因此本文采用变容二极管调谐，外加反向偏压改变电容值，通过分析变容管容值对谐振长度的影响，选用合适变容管及谐振器尤为重要。

2 E型双模谐振器

通过上节的分析，在本文研究的滤波器中采用E型双模谐振器。此谐振器是由两段相同的开路枝节和一段短路枝节构成，本文采用均匀阻抗谐振器，其中短路枝节的阻抗与开路枝节相同，结构如图1。

图1 E型双模谐振器

2.1 特征分析

由于E型双模谐振器中的介质是均匀的且结构对称，对于主模 TEM，可采用奇偶模分析法，即分别用奇模激励和偶模激励两种状态对其进行分析。奇偶模等效电路如图2所示。

图2 奇偶模等效电路模型

在奇模激励下，相当于对称面为电壁，此时中心对称面可看作短路面，此时从等效电路一端看进去的输入阻抗为：

设Yinodd=0，因此在奇模激励的谐振条件为：

在偶模激励下，相当于对称面为磁壁，此时中心对称面可看作开路面，此时的输入阻抗可求出为：

式中ZT为从电容端看进去的阻抗。

设 Yineven=0，可看出在偶模激励下的谐振频率与电容c和两段微带线的电长度θ1、θ2有关，而

因此在微带线长度 L1，L2一定时，改变电容 c，可改变偶模谐振频率达到可重构的目的。

根据以上分析，E型双模谐振器在奇模下的谐振频率与 L1有关；在偶模激励下，谐振频率不仅与 L1、L2有关，还与电容c有关。取阻抗Z1=Z2=50 Ω，由式（4）和式（5）得出电容 c在 L1、L2（L1取 4/λg附近）与谐振频率的关系曲线如图3，可看出当 L1、L2一定，取合适的电容 c可设计出满足L波段和S波段的双通带滤波器。

图3 电容和谐振频率的关系

由图3知，选用合适的2～6 pF范围内的变容二极管可满足要求。本文采用Skyworks公司的SMV1413-079LF，变容比为4.2，Q值可达2 400。经过仿真，其电容-电压曲线与数据手册一致，本文设计取外部偏压为1 V、2.5 V、5 V、10 V时电容分别为6.37 pF、4.85 pF、3.77 pF、2.85 pF。

2.2 外部Q值提取

实际进行滤波器综合时，尤其是在可调滤波器范畴，滤波器终端外部Q值的提取非常重要，通过控制外部Q值可调节滤波器带宽。在带通滤波器网络中；

因此在绝对带宽恒定下，外部Q值与耦合馈线的原件值有关，本文采用的 4/λg谐振器中间加载短路枝节串联变容二极管，谐振器长度不变，调节馈线长度及耦合缝隙即可保证绝对带宽恒定。

3 双通带可重构滤波器的实现

3.1 滤波器结构设计

上节分析了基本单元E型双模谐振器，本文采用两个基本单元相互耦合的结构实现，每个通带有两个极点。在电磁耦合的过程中，此结构会在第一通带和第二通带之间产生一个零点，增加滤波器双通带的选频作用。具体结构等效电路如图4。

图4 双通带可重构滤波器的等效电路

此结构的馈电方式不同于以往传统的滤波器采用抽头式馈电，由于短路枝节加载变容二极管电长度会发生变化。由2.2节分析可知，采用在底部平行耦合馈电可保证外部Q值变化较小，即平行耦合馈电在窄带滤波器中应用可使绝对带宽变化较小。通过在 HFSS13.0优化仿真，可达到第一通带绝对带宽恒定的特性，解决了恒定带宽同时中心频率可重构的这一难题。

3.2 仿真优化和测试

根据图4在HFSS13.0建立仿真模型，采用罗杰斯4350作为介质基板，εe=3.66，h=1 mm，介质损耗为0.004。经过以上分析及在仿真软件中的优化，设计具体参数如下：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，偏置电路中L=27 nH，滤波器实物加工如图5，整体尺寸为31×33 mm2。

图5 实物加工图

如图6，通过在HFSS13.0的仿真，双模E型谐振器实现频率可重构，第一通带变化范围为1.60 GHz～1.92 GHz，3 dB带宽 60 MHz，第二通带中心频率在 2.25 GHz，3 dB带宽 100 MHz。根据图6的仿真结果图，带内 S(2，1)在1 dB左右浮动，S(1，1)在10 V时第一通带两个极点在-12 dB和-17 dB，所有可重构频带内 S(1，1)最大在-10 dB，S(2，1)在-1.4 dB。

测试结果与仿真结果对比如图7，各项指标汇总如表1、表2。由于加入偏置电路会使S参数指标下降，从图中可看出 S(1，1)基本在-10 dB，实测结果展现出滤波器良好的性能，验证了设计思路的有效性。

图6 仿真结果

4 结论

随着无线通信的迅速发展，双频带阻滤波器的需求越来越广泛，对滤波器性能和尺寸的要求也越来越严格。在此背景下，本文提出一种新型的双通带频率可重构绝对带宽恒定的滤波器，讨论了可重构技术方法并进行比较，针对E型双模谐振器参数对传输特性的影响，采用的变容二极管作为可重构器件并进行建模、仿真和实物测试，设计出由两个E型谐振器通过电磁耦合构成的微带带通滤波器，仿真结果与测试结果吻合较好。该滤波器结构有效电路尺寸较小，只有0.15λg×0.16λgmm2，达到小型化的要求。该结构的带通滤波器有较好的可重构特性，从1.6 GHz到1.9 GHz的四个频带内，而且该均有较为平坦衰减较小的通带特性。

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[3]TSAI L C，HSUE C W.Dual-band bandpass filters using equal-length coupled-serial-shunted lines and Z-transform technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory& Techniques，2004，52(4)：1111-1117.

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[8]HUANG X，FENG Q，XIANG Q.Bandpass filter with tunable bandwidth using quadruple-mode stub-loaded resonator[J]. IEEE Microwave&Wireless Components Letters，2012，22 (4)：176-178.

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E shape dual-band reconfigurable bandpass filter

Wu Xi，Jin Long
(Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

Because of the requirement for the muliband reconfigurable filter in communication field，this artical designed a compact frequency reconfigurable band-pass filter based on the E shape resonator loaded varactor,which verified through HFSS13.0.Analyzing the E shape dual-mode resonator by odd-even mode analytical method,by changing the bias voltage values of the loading condenser to control the even mode resonant length,the first pass-band adjustable range reach to 18.2%(1.6 GHz～1.92 GHz),and making the absolute bandwidth stay in a constant state at 60 MHz with controling external quality factor by changing the length of feeder and slit at the same time,the second pass-band(2.25 GHz)remain unchanged,the results of the processed object measurement and the simulation are relatively consistent.

varactor；frequency reconfigurable；bandpass fiter；E shape resonator

图7 仿真与测试结果对比

表1 第一通带各项参数

表2 第二通带各项参数

TN402

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.038

毋茜，金龙.E型双通带可重构带通滤波器[J].电子技术应用，2016，42(11)：141-144.

英文引用格式：Wu Xi，Jin Long.E shape dual-band reconfigurable bandpass filter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：141-144.

2016-07-21）

毋茜（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向：射频电子电路、电子与通信工程。

金龙（1974-），男，博士研究生，副研究员，主要研究方向：电磁场与微波技术、微波毫米波电路与系统。