可重構(gòu)或可調(diào)諧微波濾波器技術(shù)
發(fā)布日期:2019-11-28
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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?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注來對(duì)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(hào)。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(hào)有可能會(huì)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(huì)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)萜鞫O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(duì)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(zhǎng)度小于工作頻率的四分之一波長(zhǎng)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)萜鞯钠镁W(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。
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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(cè)量性能。正如在文獻(xiàn)[3]中所報(bào)道的，對(duì)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(hào)導(dǎo)引到電路上，而同時(shí)將對(duì)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(cè)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(huì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)。測(cè)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(cè)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(qǐng)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(duì)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(jí)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(dòng)。正如我們?cè)趫D5 的結(jié)構(gòu)中所能看到的，當(dāng)微擾器上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，濾波器的有效介電常數(shù)便會(huì)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(dòng)。
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(duì)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(huì)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(cè)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(cè)得的最小插入損耗為0.5dB，并且測(cè)量得到的3dB 帶寬為5.92GHz。仿真和測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)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?/strong>
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).jpg)
![變?nèi)萜? /></div>
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<div>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(zhǎng)為100 μm，叉指間距為5μm）[2]。</div>
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<div>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(chǎng)強(qiáng)度從3.5 變化到0V/μm 時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)從700 變化到1,200，所測(cè)得的BST 薄膜的介電損耗tanδ 在10MHz 下從0.1 變化到0.2。</div>
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<div>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(zhǎng)，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?/div>
<div style=](/web/userfiles/lvboqi_new16(2).jpg "變?nèi)萜? class=")
![IDC BST 變?nèi)萜? /></div>
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<div>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＃╞）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]。</div>
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<div><strong>可調(diào)諧帶阻濾波器</strong></div>
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<div>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?/div>
<div style=](/web/userfiles/lvboqi_new17(1).jpg "IDC BST 變?nèi)萜? class=")
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(cè)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(cè)得的調(diào)諧范圍是14%。
圖14、可調(diào)諧帶阻濾波器的測(cè)量結(jié)果[28]。
可重構(gòu)雙模帶通濾波器
人們可以在單?；螂p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(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)的雙模濾波器來說，兩種簡(jiǎn)并的模式是通過控制一個(gè)合適的擾動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)來將兩種簡(jiǎn)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(dòng)，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(huì)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(jiǎn)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(duì)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(huì)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(dòng)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(cè)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。
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圖17、具有兩個(gè)直流偏置的可重構(gòu)雙模濾波器的測(cè)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(jiǎn)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(duì)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(cè)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(cè)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(jí)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)萜鳌Ｕ麄€(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(cè)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(huì)作出相應(yīng)的移動(dòng)。對(duì)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(duì)濾波器進(jìn)行調(diào)諧。
圖20、測(cè)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(chǎng)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(hào)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(jiǎn)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)萜鳌Ｒ粋€(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(duì)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(huì)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(duì)較低的Q 值會(huì)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)?，?duì)于給定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(duì)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?？梢栽O(shè)想在開發(fā)電子可重構(gòu)微帶線濾波器方面將會(huì)有更多的研究和開發(fā)活動(dòng)。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。
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