典型的電子可重構(gòu)微帶線濾波器詳解

電子可重構(gòu)，或者說電調(diào)微波濾波器由于其在改善現(xiàn)在及未來微波系統(tǒng)容量中不斷提高的重要性而正吸引著人們越來越多的關(guān)注來對其進(jìn)行研究和開發(fā)。例如，嶄露頭腳的超寬帶(UWB)技術(shù)要求使用很寬的無線電頻譜。然而，作為資源的頻譜是寶貴而有限的，因此，頻譜總是被用于多種用途，這意味著當(dāng)諸如UWB 無線系統(tǒng)這種操作受到關(guān)注時(shí)，頻譜上充滿著不期望的信號。在這種情況下，現(xiàn)存的時(shí)時(shí)處處都在發(fā)生變化的不期望的窄帶無線電信號有可能會干擾UWB 系統(tǒng)的波段。這種問題的解決方案是在UWB 帶通濾波器的通帶上引入了一個(gè)可進(jìn)行電切換或電調(diào)諧的狹窄的抑制帶(陷波)。這種電子可重構(gòu)濾波器也是寬帶雷達(dá)或電子軍用系統(tǒng)所渴望得到的。我們可以來未雨綢繆地考慮未來的認(rèn)知無線電和雷達(dá)應(yīng)用，可以肯定的是，可進(jìn)行電子重構(gòu)的微波濾波器將會在無線系統(tǒng)中起到一個(gè)更重要的作用。

一般來說，為了開發(fā)電子可重構(gòu)濾波器，有源切換元件或調(diào)諧元件，如半導(dǎo)體p-i-n 和變?nèi)萜?a target="_blank">二極管，射頻(RF)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)或其它基于功能性材料的元件，包括鐵電體變?nèi)萜?，需要被集成進(jìn)入無源濾波器結(jié)構(gòu)中。由于微帶線濾波器[1]能夠便于以很小的尺寸來完成這類集成，因此，人們對于在微帶線的基礎(chǔ)上開發(fā)可調(diào)諧或可重構(gòu)濾波器的興趣日益增加[2]-[36]。這些濾波器可以分類為可調(diào)諧梳狀帶通濾波器[2]-[9]，射頻微機(jī)電系統(tǒng)可調(diào)諧濾波器[10]-[15]，壓電傳感器(PET)可調(diào)諧濾波器[17]-[19]，可調(diào)諧高溫超導(dǎo)(HTS)濾波器[21]-[23]，可重構(gòu)UWB 濾波器[24]-25]，可調(diào)諧雙頻段濾波器[26]，可調(diào)諧帶阻濾波器[27]-[31]，可重構(gòu)/可調(diào)諧雙模濾波器[32]-[36]，以及基于可切換延遲線的可重構(gòu)帶通濾波器。下面，我們將要介紹若干新近開發(fā)出來的典型的電子可重構(gòu)微帶線濾波器。

可調(diào)諧梳狀濾波器

微帶線梳狀濾波器是開發(fā)可調(diào)諧或者說可重構(gòu)帶通濾波器頗受歡迎的結(jié)構(gòu)[2]-[9]。圖1 是一個(gè)3-極點(diǎn)可調(diào)諧梳狀濾波器的示意圖，其中每一個(gè)長度小于工作頻率的四分之一波長的微帶線諧振器的一端是短路相接的，另一端則加載一只變?nèi)萜?。在這個(gè)例子中，變?nèi)萜魇腔阼F電體鈦酸鍶鋇(BST)薄膜的。每一個(gè)BST 變?nèi)萜鞯钠?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)包含有一個(gè)與變?nèi)萜飨啻?lián)的隔直電容器。帶通濾波器的中心頻率可以通過改變施加到變?nèi)萜鞯闹绷髌脕磉M(jìn)行電子調(diào)諧。

圖1、一個(gè)可調(diào)諧梳狀帶通濾波器的示意圖[2]。

圖2 舉例說明了與BST 薄膜進(jìn)行單片集成的可調(diào)諧梳狀濾波器的制作和其測量性能。正如在文獻(xiàn)[3]中所報(bào)道的，對于直流偏置，在BST 薄膜之上，又沉積了一層阻性氮化鉭(TaN)薄膜并制作相應(yīng)的圖案。TaN 薄膜的表面電阻率大約是1-10KΩ/每單位面積(Square)，被用來將直流偏置信號導(dǎo)引到電路上，而同時(shí)將對電路射頻性能的影響減到最小。將BST 薄膜電容器與鋁土基片，銅電極，和過孔相集成，從若干個(gè)方面推進(jìn)了可調(diào)諧介電技術(shù)，這種調(diào)諧技術(shù)可以開發(fā)更復(fù)雜的射頻和微波電路。

圖2、(a)一個(gè)采用了鈦酸鍶鋇薄膜的X-波段(8-12GHz)梳狀可調(diào)諧濾波器和(b)其測試性能[3]。

在進(jìn)行中心頻率調(diào)諧時(shí)所出現(xiàn)的帶寬波動是一個(gè)眾所周知的問題。一般來說，為了保持一個(gè)與調(diào)諧頻率無關(guān)的絕對的通帶帶寬，耦合系數(shù)必須與調(diào)諧頻率成反比。已經(jīng)存在一些解決這個(gè)問題的技術(shù)，例如文獻(xiàn)[4]和[8]。在文獻(xiàn)[8]中，人們研究了采用階梯阻抗微帶線諧振器的變?nèi)萜髡{(diào)諧梳狀帶通濾波器，這樣可以更好地控制諧振器之間的耦合，從而可以通過使用較短電長度的線段元件來滿足恒定帶寬的要求。同時(shí)，人們采用了集總式電感器來作為輸入和輸出耦合網(wǎng)絡(luò)，從而使得外部品質(zhì)因數(shù)(Q)直接隨著調(diào)諧頻率而變化。人們已經(jīng)演示了這種類型的一個(gè)四極點(diǎn)濾波器，在2GHz下250MHz 的調(diào)諧范圍內(nèi)，3-dB 通帶帶寬的變化小于3.2%。

在文獻(xiàn)[4]中，理論分析表明，對于一個(gè)可調(diào)諧N-極點(diǎn)濾波器，N 是諧振器的數(shù)量，其品質(zhì)因數(shù)(figure of merit) 定義為通帶中心頻率的偏移與平均通帶的比值，它取決于損耗或調(diào)諧變?nèi)萜鞯腝 值及濾波器的階數(shù)。由于Q 是與功率損耗成反比的，損耗越大，Q 值就越小。一般來說，品質(zhì)因數(shù)(或調(diào)諧范圍)在小Q 值及大N 值的條件下會有所降低。

人們可以通過實(shí)施源/負(fù)載多諧振器耦合來設(shè)計(jì)具有多個(gè)傳輸零點(diǎn)以改善上阻帶性能的可調(diào)諧平面梳狀濾波器。正如在文獻(xiàn)[9]中所演示的，這可以通過在經(jīng)典梳狀構(gòu)造中增加兩個(gè)新的耦合線而得以實(shí)現(xiàn)，如圖3(a)所示，其中我們可以看見兩條薄的線從源/負(fù)載端伸向內(nèi)部諧振器。圖3(b)繪制了所測得的具有分布在上阻帶的五個(gè)傳輸零點(diǎn)的濾波器的性能。濾波器的中心頻率可以在750MHz 到900MHz 之間進(jìn)行調(diào)諧，濾波器使用的是Philips 公司的BB149 變?nèi)荻O管，在0V 到20V 的偏置電壓下，這個(gè)二極管電容值的變化范圍是2 到20pF。變?nèi)萜鞯钠迷?.8pF 和22nH。

圖3、(a) 所制作的采用源/負(fù)載多諧振器耦合的3-極點(diǎn)電調(diào)梳狀濾波器和(b)它的測量響應(yīng)[9]。

射頻微機(jī)電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器

采用射頻微機(jī)電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器而不是變?nèi)萜鱽砀淖冎C振器濾波器中諧振器的長度或其電路參數(shù)則形成了第二類可重構(gòu)濾波器[10]-[15]。在這種情況下，電子調(diào)諧通常是采用數(shù)字方法來實(shí)現(xiàn)的，這種方法可以實(shí)現(xiàn)具有良好性能的大的調(diào)諧范圍，這包含了低損耗和高線性度。圖4 展示了一個(gè)這種類型的濾波器的例子。在這種情況下，正如文獻(xiàn)[11]中所報(bào)道的，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于分布式半波長微帶線諧振器上的，而這種諧振器則是在高阻性硅基片上制作的。這是一個(gè)具有兩個(gè)諧振器的帶通濾波器，在每一個(gè)諧振器的末端添加一個(gè)容性貼片，這便允許低損耗地實(shí)現(xiàn)一個(gè)偽2-比特(pseudo 2-bits)中心頻率的移動。測量得到的濾波器響應(yīng)示于圖4(b)中，其中通帶可以在四個(gè)不同的中心頻率處進(jìn)行重構(gòu)。

圖4、(a)一個(gè)2-比特射頻微機(jī)電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器的照片和(b)它所測得的響應(yīng)[11]。

文獻(xiàn)[13]中報(bào)道了在差分4-比特射頻微機(jī)電系統(tǒng)可調(diào)諧濾波器方面所進(jìn)行的開創(chuàng)性的工作。這個(gè)濾波器展示出極其微細(xì)的調(diào)諧精度，可在6.5 到10GHz 之間進(jìn)行寬調(diào)諧范圍的濾波，具有16 個(gè)頻率上彼此相鄰的不同的濾波響應(yīng)，類似于一個(gè)連續(xù)可調(diào)諧濾波器。要了解更多有關(guān)射頻微機(jī)電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器的信息，請參考本雜志中專注于這個(gè)論題的文章[16]。

壓電傳感器可調(diào)諧濾波器

壓電傳感器(PET)也已經(jīng)同樣被用來開發(fā)電調(diào)微帶線濾波器[17]-[19]。圖5 對一個(gè)PET 可調(diào)諧微帶線濾波器的構(gòu)建進(jìn)行了說明。正如在文獻(xiàn)[17]中所報(bào)道的，這個(gè)可調(diào)諧濾波器電路包含有采用級聯(lián)微帶線開環(huán)諧振器[20]所組成的濾波器，一個(gè)PET 和一個(gè)在濾波器上方所附著的一個(gè)電介質(zhì)微擾器。PET 是由鉛(lead)，鋯酸鹽(Zirconate)和鈦酸鹽(Titanate)組成的。圖5 所示的PET是由兩個(gè)壓電層和一個(gè)墊片層組成的。夾在兩個(gè)同樣極化的壓電層之間的墊片層增加了機(jī)械強(qiáng)度和硬度。墊片連接到直流電壓的一個(gè)電極上來使PET 發(fā)生偏移，并且使之上下垂直運(yùn)動。正如我們在圖5 的結(jié)構(gòu)中所能看到的，當(dāng)微擾器上下運(yùn)動時(shí)，濾波器的有效介電常數(shù)便會分別降低或增加，從而使得濾波器的通帶向較高頻率或較低頻率處移動。

圖5、可調(diào)諧帶通濾波器的構(gòu)建[17]。(a)頂視圖。(b)三維視圖。

可重構(gòu)UWB 濾波器

具有可切換陷波的UWB濾波器

圖6 是所開發(fā)的具有可切換陷波頻段的UWB 帶通濾波器的圖片[24]。從根本上說，沒有陷波的UWB 濾波器是一個(gè)最佳的分布式高通濾波器，它在微帶線上含有5段短路截線和四段連接線段[1]。

圖6、具有兩個(gè)可切換陷波結(jié)構(gòu)的微帶線UWB 濾波器[24]。

為了在UWB 濾波器的通帶上實(shí)現(xiàn)一個(gè)可切換的陷波，如圖7 所示。兩個(gè)完全相同的可切換陷波結(jié)構(gòu)被集成進(jìn)入兩條連接線段中。這個(gè)結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)寬帶直流偏置電路。從原理上講，圖7 中的可切換陷波結(jié)構(gòu)是一段具有一個(gè)鑲嵌截線的傳輸線[39]。當(dāng)p-i-n 二極管處于零偏置狀態(tài)時(shí)，由于其非常小的結(jié)電容而呈現(xiàn)出一個(gè)很大的阻抗，因此鑲嵌截線的作用便是一個(gè)可以產(chǎn)生諧振的開路截線。因此，在其基頻諧振頻率上，鑲嵌的開路截線在主傳輸線上顯示出短路的特性，從而產(chǎn)生一個(gè)窄的陷波頻段或者說是頻率響應(yīng)中的陷波。這種情況對應(yīng)的是陷波接通的狀態(tài)。為了關(guān)閉陷波，一個(gè)正向偏置被施加到p-i-n 二極管上。在正向偏置下，p-i-n 二極管相當(dāng)于一個(gè)很小的電阻。因此，鑲嵌截線的開路端是與主傳輸線相連的，從而，沒有來自于這個(gè)鑲嵌截線的諧振。因此，陷波便會消失。

圖7、一個(gè)可切換陷波結(jié)構(gòu)的示意圖[24]。

圖8 展示了可重構(gòu)UWB 濾波器仿真和測量的響應(yīng)，其中，我們可以觀察到在中心頻率約為5.1GHz 處的陷波的接通/關(guān)閉，當(dāng)其接通時(shí)，其抑制比大于35dB。為了接通陷波，p-i-n 二極管(M/A-COM MA 4AGSBP907)是處于零偏置狀態(tài)。當(dāng)關(guān)閉陷波時(shí)，濾波器的性能與當(dāng)p-i-n 二極管處于2.5-5mA 的正向偏置狀態(tài)下的性能來說幾乎是一樣的。所測得的最小插入損耗為0.5dB，并且測量得到的3dB 帶寬為5.92GHz。仿真和測量結(jié)果之間很小的差異可以解釋為是由制造公差，p-i-n 二極管，芯片電感或電容的雜散效應(yīng)所引起的。

圖8、仿真和測量結(jié)果的比較[24]。(電磁(EM)仿真是使用商業(yè)化的工具得到的[40]。)

具有可調(diào)諧陷波的UWB 濾波器

在圖6 中，人們用變?nèi)荻O管來替代p-i-n 二極管便可以產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)諧陷波結(jié)構(gòu)。因此，前面所討論的可重構(gòu)UWB 濾波器可以進(jìn)行修改，從而具有一個(gè)可進(jìn)行電子調(diào)諧的陷波頻段。所采用的是M/A-COM 公司的具有恒定伽瑪值的GaAs 倒裝芯片變?nèi)荻O管[25]。圖9(a)展示了MA46H120 變?nèi)荻O管典型的性能曲線。為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，具有可調(diào)諧陷波的UWB 濾波器是在液晶聚合物上(LCD)實(shí)現(xiàn)的，基片的相對介電常數(shù)為3.0，厚度為0.5mm。圖9(b)是所制作的濾波器。除了用變?nèi)荻O管來替代p-i-n 二極管外，其版圖設(shè)計(jì)與圖6 的類似。變?nèi)荻O管是通過一個(gè)10kΩ 電阻與直流電壓相連接的。

圖9、(a)MA46H120 變?nèi)荻O管典型的性能。(b)采用MA46H120 變?nèi)荻O管所制作的具有可調(diào)諧陷波的可重構(gòu)超寬帶濾波器[25]。

圖10 是所測得的可重構(gòu)UWB 濾波器的響應(yīng)。當(dāng)沒有直流偏置時(shí)(0V)，在通帶上沒有陷波，如圖10(a)所示。這是因?yàn)樽內(nèi)荻O管電容在0-V 偏置下是如此之大，以至于它將陷波頻段移動到了通帶以下。當(dāng)直流偏置在4V 到14V 時(shí)，陷波頻率在UWB 通帶內(nèi)4.5GHz 到6.5GHz 范圍內(nèi)被調(diào)諧，如圖10(b)所示。

圖10、具有可調(diào)諧陷波頻段的可重構(gòu)超寬帶濾波器所測得的性能。(a)沒有陷波的0-V 偏置。(b)具有可調(diào)諧陷波的非零偏置(來源于[25])。

具有槽線接地結(jié)構(gòu)的BST 變?nèi)萜髡{(diào)諧帶阻濾波器

諸如BST 這類鐵電體材料新近在用于頻率捷變應(yīng)用的電調(diào)微波電路的開發(fā)中變得更加吸引人[41]-[42]。接下來，我們要介紹最新開發(fā)的BST 變?nèi)萜骺烧{(diào)諧帶阻濾波器[28]。

BST 變?nèi)萜?/p>

BST 變?nèi)萜鞯碾娙菘烧{(diào)諧能力可以定義為

電容可調(diào)諧能力=

(1)

其中Cmax是BST 變?nèi)萜髟?-V 偏置下的電容，Cmin 是在非零直流偏置下所獲得的電容。當(dāng)直流偏置電壓的絕對值提高時(shí)，Cmin 會有所降低，這是因?yàn)锽ST 材料的相對介電常數(shù)是隨著所施加的電壓而減小的[42]。

一般來說，BST 變?nèi)萜骺梢栽O(shè)計(jì)成金屬-絕緣體-金屬電容器的形式，或一種叉指電容器(IDC)的形式。BST 可調(diào)諧IDC 由于其額外的對直流電壓不甚敏感的邊緣電容而具有較小的電容可調(diào)諧能力。圖11 說明了BST IDC 典型的特性[2]，當(dāng)要求具有較低的電容值以及比較簡單的制造工藝時(shí)，BST 可調(diào)諧IDC 便是一個(gè)更具有吸引力的選擇。

圖11、鈦酸鍶鋇叉指電容變?nèi)萜髟?MHz 下的標(biāo)稱調(diào)諧曲線(有20 個(gè)叉指，每個(gè)叉指寬為5μm，長為100 μm，叉指間距為5μm)[2]。

正如在文獻(xiàn)[28]中所公布的，IDC BST 變?nèi)萜魇窃趫D12(a)所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制作的。通過脈沖激光沉積法將一層0.5-μm 厚的Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST)薄膜沉積到一個(gè)(001)MgO 基片上(厚度為0.5-mm)，在有氧環(huán)境下(0.1mbar)采用具有1.5Jcm-2 的激光以5Hz 的注入脈沖速度進(jìn)行沉積[42]。所制成的BST 材料在電場強(qiáng)度從3.5 變化到0V/μm 時(shí)，相對介電常數(shù)從700 變化到1,200，所測得的BST 薄膜的介電損耗tanδ 在10MHz 下從0.1 變化到0.2。

圖12(b)展示了具有六個(gè)叉指的IDC，這是文獻(xiàn)[28]中所開發(fā)的BST 變?nèi)萜鞯幕締卧１舜碎g距為10μm 的叉指為220-μm 長，10-μm寬。這個(gè)基本BST 變?nèi)萜鲉卧?-V 偏置下的Cmax=0.56pF，在35-V 偏置下的Cmin=0.4pF，根據(jù)式(1)，它在給定的直流偏置電壓范圍中的電容可調(diào)能力為28.6%。為了實(shí)際應(yīng)用起見，人們制作了一個(gè)大的BST 變?nèi)萜餍酒?，這個(gè)芯片可以很容易地附著在傳統(tǒng)的微波電路板上。其尺寸為5×5mm2，含有三個(gè)并聯(lián)的BST 變?nèi)萜鲉卧?/p>

圖12、(a)在MgO 基片上所制作的鈦酸鍶鋇叉指變?nèi)萜餍酒钠拭鎸印?b)鈦酸鍶鋇叉指變?nèi)萜鲉卧陌鎴D(尺寸單位為mm)[資料來源于28]。

可調(diào)諧帶阻濾波器

圖13 展示了一個(gè)具有槽線接地結(jié)構(gòu)的兩極點(diǎn)可調(diào)諧帶阻濾波器。在接地平面上，可調(diào)諧微帶線帶阻濾波器包含兩個(gè)可調(diào)諧BST 槽線諧振器和向BST 變?nèi)萜魈峁┲绷麟妷旱钠秒娐贰?/p>

圖13、制作成的采用鈦酸鍶鋇變?nèi)萜鞯目烧{(diào)諧微帶線帶阻濾波器[28]。(a)底部和(b)頂部。

圖14 給出了可調(diào)諧微帶線帶阻濾波器的測量響應(yīng);這個(gè)帶阻濾波工作在中心頻率為1.2-1.4GHz 處，具有100MHz 的帶寬。因此，所測得的調(diào)諧范圍是14%。

圖14、可調(diào)諧帶阻濾波器的測量結(jié)果[28]。

可重構(gòu)雙模帶通濾波器

人們可以在單模或雙模諧振器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)帶通濾波器，并且傾向于在微帶線上進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)橹绷髌秒娐房梢院苋菀椎卦谖Ь€上實(shí)施。雙模微帶線諧振器是很有吸引力的，因?yàn)槊總€(gè)雙模諧振器可以被用作雙調(diào)諧諧振電路，因此，給定了階數(shù)的濾波器所需的諧振器的數(shù)量可以減半，從而可以產(chǎn)生一個(gè)緊湊的濾波器架構(gòu)。對于一個(gè)傳統(tǒng)的雙模濾波器來說，兩種簡并的模式是通過控制一個(gè)合適的擾動而進(jìn)行耦合的。環(huán)形濾波器(Circular ring filter)[43]，方形環(huán)路濾波器(Square loop filter)，以及彎折環(huán)路濾波器(meander loop filter)[45]便屬于這種情況。另一方面，在文獻(xiàn)[46]中人們研究了一種新型的基于三角形貼片基礎(chǔ)之上的雙模諧振器濾波器，其中并未對雙模進(jìn)行耦合。最近，人們已經(jīng)在一個(gè)小型的雙模微帶線開環(huán)濾波器中展示了這種獨(dú)特且有趣的特性[47]，這種諧振器是由傳統(tǒng)的單模開環(huán)諧振器演變而來的[20]。

當(dāng)具有兩維對稱性的傳統(tǒng)雙模諧振器被用于雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)之中時(shí)，需要一些擾動來將兩種簡并的模式分開[1]。而在文獻(xiàn)[46]和[47]中所介紹的雙模諧振器則并不需要這個(gè)擾動，因?yàn)槠鋬煞N分別被稱為偶模和奇模的諧振模式彼此并不相互耦合。這兩種模式會在雙模濾波器中分開的頻率上工作，其耦合結(jié)構(gòu)是與傳輸?shù)碾p模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)有所不同的。圖15 展示了這種類型的一個(gè)兩極點(diǎn)雙模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)，其中S 和L分別代表著輸入和輸出端口;節(jié)點(diǎn)1 代表著奇模，節(jié)點(diǎn)2 代表著偶模。文獻(xiàn)[46]和[47]中演示了具有固定中心頻率的這種類型的濾波器。

圖15、一個(gè)兩極點(diǎn)雙模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)，其中這兩個(gè)模式彼此之間是沒有耦合的[35]。

在文獻(xiàn)[34]-[36]中，人們同樣研究了電子可重構(gòu)雙模微帶線開環(huán)諧振器濾波器，這種濾波器發(fā)掘了在單個(gè)雙模諧振器中的兩個(gè)諧振模式之間無耦合的獨(dú)特特性。這便產(chǎn)生了一個(gè)簡單的調(diào)諧方案，因?yàn)橥◣ьl率的調(diào)諧僅僅通過按比例改變模態(tài)頻率便可完成。此外，對于這種類型的濾波器來說，其選擇性可以通過電子方式重新設(shè)置，從而在通帶的任何一邊都會展示出具有一個(gè)有限頻率傳輸零點(diǎn)的較高的選擇性。

具有兩個(gè)直流偏置的可重構(gòu)雙模濾波器

正如在文獻(xiàn)[34]中所討論的，圖16 所顯示的是制作成的兩極點(diǎn)可重構(gòu)雙模微帶線開環(huán)諧振器帶通濾波器。

圖16、制作成的具有兩個(gè)直流偏置的可重構(gòu)雙模微帶線開環(huán)諧振器帶通濾波器[34]。

這個(gè)帶通濾波器具有如圖15 所示的耦合方案。由于在兩種工作諧振模式之間不存在耦合，因此，如果奇模和偶模的諧振頻率是按比例移動的話，便可以調(diào)諧通帶的中心頻率。人們所采用的典型的可變電容在0.5pF到6.6pF 之間變化的Infineon BB857 變?nèi)萜鱽韺?shí)施這種電子調(diào)諧。為了能重構(gòu)濾波器的特性，人們采用了兩個(gè)直流偏置。第一個(gè)直流偏置電壓V1 被用來改變奇模頻率，第二個(gè)直流偏置電壓V2被用來改變偶模頻率。

測量得到的頻率響應(yīng)繪制在圖17 中，這個(gè)頻率響應(yīng)展現(xiàn)出，取決于兩個(gè)直流偏置的組合情況，人們不僅可以調(diào)諧通帶頻率，而且濾波特性也同樣可以重構(gòu)，從第一種情況下的通帶高頻一邊具有高的選擇性而改變?yōu)榈诙N情況下，通帶的低頻一邊具有高的選擇性。

圖17、具有兩個(gè)直流偏置的可重構(gòu)雙模濾波器的測量性能。(a)第一種情況。(b)第二種情況[34]。

具有單個(gè)直流偏置的可調(diào)諧雙模濾波器

通過改變雙模微帶線開環(huán)諧振器，雙模濾波器的中心頻率可以通過采用單個(gè)直流偏置來進(jìn)行電子調(diào)諧。換句話說，偶模和奇模諧振頻率的改變由于使用同樣的偏置電壓而變得更為簡便。圖18(a)展示了這種可調(diào)諧濾波器的一個(gè)例子[35]。這個(gè)濾波器是在相對介電常數(shù)為10.8 且厚度為1.27mm 的基礎(chǔ)上制作的。這個(gè)濾波器上連接了三只Infineon BB857 變?nèi)萜?，這與上一種情況類似。變?nèi)萜黟伻氲氖峭瑯拥闹绷髌秒妷骸D18(b)展現(xiàn)出當(dāng)直流偏置電壓從8.1V 變化到25V 時(shí)所測得的頻率響應(yīng)。這個(gè)濾波器在通帶的高端處展現(xiàn)了一個(gè)有限頻率的傳輸零點(diǎn)，其中心頻率的調(diào)諧范圍是100MHz，在825 到925MHz 之間。在這種情況下，在濾波器進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，偶模頻率總是高于奇模頻率[46]。

圖18、(a)制作成的采用單個(gè)直流偏置，在通帶高端處含有一個(gè)有限頻率傳輸零點(diǎn)的可調(diào)諧雙模濾波器。(b)所測得的頻率響應(yīng)[35]。( 圖片版權(quán)European Microwave Association，EuMA。經(jīng)許可使用。)

人們還可以采用另一種修改方案，文獻(xiàn)[35]便展示了用單個(gè)直流偏置進(jìn)行調(diào)諧，在通帶的低端處具有一個(gè)有限頻率的傳輸零點(diǎn)的可調(diào)諧雙模濾波器。

可調(diào)諧四極點(diǎn)雙模濾波器

可以將兩個(gè)或多個(gè)雙模，開環(huán)諧振器進(jìn)行級聯(lián)來構(gòu)建一個(gè)具有較高階數(shù)的可調(diào)諧濾波器。例如，圖19 顯示了一個(gè)制作成的這種類型的四極點(diǎn)可調(diào)諧濾波器[36]。每個(gè)雙模開環(huán)諧振器加載了三個(gè)Infineon BB857 變?nèi)萜?。整個(gè)濾波器是用單個(gè)直流偏置電路來調(diào)諧的。直流偏置在10.6V 到34.0V 的范圍內(nèi)變化時(shí)的測量結(jié)果繪制在圖20 中，并與加載了不同的變?nèi)萜麟娙葜档姆抡娼Y(jié)果進(jìn)行了比較。

圖19、制作成的四極點(diǎn)可調(diào)諧雙模濾波器[36]。(圖片版權(quán)European Microwave Association，EuMA。經(jīng)許可使用。)

圖20 展示了實(shí)驗(yàn)用四極點(diǎn)可調(diào)諧帶通濾波器在通帶的每一邊都具有一個(gè)有限頻率傳輸零點(diǎn)的準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)。接近于通帶低端處的傳輸零點(diǎn)是與第一個(gè)雙模諧振器所固有的偶模相關(guān)聯(lián)的，而靠近通帶高端處的傳輸零點(diǎn)則是與第二個(gè)雙模諧振器的偶模相關(guān)聯(lián)的。因此，當(dāng)偶模頻率被調(diào)諧時(shí)，相關(guān)的傳輸零點(diǎn)也會作出相應(yīng)的移動。對于給定的直流偏置電壓范圍，人們可以在0.86-0.96GHz 的調(diào)諧范圍內(nèi)對濾波器進(jìn)行調(diào)諧。

圖20、測量得到的可調(diào)諧濾波器的性能與仿真結(jié)果的比較。(a)S21 和(b)S11 [36]。

結(jié)論

本文介紹了若干種電子可重構(gòu)或可調(diào)諧微帶線濾波器。通過采用不同的電子控制技術(shù)，包括射頻微機(jī)電系統(tǒng)和鐵電體，梳狀濾波器結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地用來開發(fā)可調(diào)諧或可重構(gòu)濾波器，雖然這類濾波器的帶寬通常都很小。本文所展示的UWB 濾波器采用的是p-i-n 二極管，但人們還實(shí)施了其它可切換元件，如金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MESFET)開關(guān)。MESFET 開關(guān)具有較低的直流功耗，但都有較大的非線性失真。人們同樣還可以考慮使用射頻微機(jī)電系統(tǒng)[13]-[14]或PET[18]。

BST 變?nèi)萜饕驯挥糜诰哂胁劬€接地結(jié)構(gòu)的電調(diào)微帶線帶阻濾波器中。這些結(jié)構(gòu)可以很方便地實(shí)施調(diào)諧元件和直流偏置電路，使之與基片另一面的主要射頻信號路徑具有更好的隔離性。鐵電體薄膜調(diào)諧器件，如BST 變?nèi)萜髟谳^高頻率應(yīng)用中是很有吸引力的，雖然其損耗需要被減到最小程度。

我們已經(jīng)展示出一個(gè)可以通過控制奇模和偶模的諧振頻率這種簡單方式來調(diào)諧或者說進(jìn)行電子重構(gòu)的雙模微帶線開環(huán)諧振器濾波器，因?yàn)檫@兩種操作模式彼此之間不存在耦合。

除了半導(dǎo)體變?nèi)萜魍?，人們還實(shí)施了其它類型的變?nèi)萜骱图夹g(shù)，如鐵電體薄膜和射頻微機(jī)電系統(tǒng)變?nèi)萜?。一個(gè)類似的調(diào)諧技術(shù)可以被應(yīng)用于較高階數(shù)的濾波器中，在一個(gè)具有準(zhǔn)橢圓函數(shù)響應(yīng)的電調(diào)四極點(diǎn)雙模微帶線開環(huán)諧振器濾波器中已經(jīng)演示了這種技術(shù)。通過選擇合適的變?nèi)荻O管并且合理地設(shè)計(jì)輸入和輸出饋電結(jié)構(gòu)，便可以提高頻率調(diào)諧范圍。采用額外的調(diào)諧元件來控制輸入和輸出耦合，對濾波器帶寬進(jìn)行調(diào)諧也同樣是可行的。

總的來說，帶寬的調(diào)諧或控制比頻率的調(diào)諧更加具有挑戰(zhàn)性，具有較大帶寬的電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)就調(diào)諧范圍和帶寬控制來說比窄帶寬的更加困難。文獻(xiàn)[48]-[51]中報(bào)道了一些在可調(diào)諧濾波器中進(jìn)行帶寬控制的技術(shù)。

電子可重構(gòu)濾波器的非線性行為非常依賴于所使用的調(diào)諧元件。采用射頻微機(jī)電系統(tǒng)和PET 通常會產(chǎn)生一個(gè)較好的線性特性?？芍貥?gòu)濾波器設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新同樣可以改善性能并且能增加功能。調(diào)諧元件相對較低的Q 值會限制較高階數(shù)和窄帶可調(diào)諧濾波器的實(shí)施。這是因?yàn)椋瑢τ诮o定Q 值的調(diào)諧元件和其它與電路相關(guān)聯(lián)的損耗來說，濾波器的插入損耗是隨著其階數(shù)的增高和帶寬的降低而增加的。因此，高階可調(diào)諧窄帶濾波器的插入損耗對于實(shí)際應(yīng)用來說是太大了。此外，調(diào)諧范圍在高階濾波器的限制比低階濾波器的限制更大[4]。

可重構(gòu)濾波器的開發(fā)涉及到一些折衷之處，例如濾波器的尺寸和偏置電路的復(fù)雜性，這些都增加了挑戰(zhàn)性。可以設(shè)想在開發(fā)電子可重構(gòu)微帶線濾波器方面將會有更多的研究和開發(fā)活動。有眾多文獻(xiàn)都涉及到這個(gè)論題，其中一些被列入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)之中，感興趣的讀者可以參考這些文獻(xiàn)以獲取跟多的資訊。

致謝

本文所介紹的一些工作是由U.K.Engineering and Physical Science Research Council 通過兩個(gè)研究項(xiàng)目(EP/C520289/1 )和(EP/E02923/1)給予資助的。作者對參與這些項(xiàng)目的組織和個(gè)人表示感謝。

原文標(biāo)題：可重構(gòu)或可調(diào)諧微波濾波器技術(shù)

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審核編輯：湯梓紅