可重构或可调谐微波滤波器技术

可重构或可调谐微波滤波器技术电子可重构，或者说电调微波滤波器由于其在改善现在及未来微波系统容量中不断提高的重要性而正吸引着人们越来越多的关注来对其进行研究和开发。

例如，崭露头脚的超宽带（UWB）技术要求使用很宽的无线电频谱。

然而，作为资源的频谱是宝贵而有限的，因此，频谱总是被用于多种用途，这意味着当诸如UWB 无线系统这种操作受到关注时，频谱上充满着不期望的信号。

在这种情况下，现存的时时处处都在发生变化的不期望的窄带无线电信号有可能会干扰UWB 系统的波段。

这种问题的解决方案是在UWB 带通滤波器的通带上引入了一个可进行电切换或电调谐的狭窄的抑制带（陷波）。

这种电子可重构滤波器也是宽带雷达或电子军用系统所渴望得到的。

我们可以来未雨绸缪地考虑未来的认知无线电和雷达应用，可以肯定的是，可进行电子重构的微波滤波器将会在无线系统中起到一个更重要的作用。

一般来说，为了开发电子可重构滤波器，有源切换元件或调谐元件，如半导体p-i-n 和变容器二极管，射频（RF）微机电系统（MEMS）或其它基于功能性材料的元件，包括铁电体变容器，需要被集成进入无源滤波器结构中。

由于微带线滤波器[1]能够便于以很小的尺寸来完成这类集成，因此，人们对于在微带线的基础上开发可调谐或可重构滤波器的兴趣日益增加[2]-[36]。

这些滤波器可以分类为可调谐梳状带通滤波器[2]-[9]，射频微机电系统可调谐滤波器[10]-[15]，压电传感器（PET）可调谐滤波器[17]-[19]，可调谐高温超导（HTS）滤波器[21]-[23]，可重构UWB 滤波器[24]-25]，可调谐双频段滤波器[26]，可调谐带阻滤波器[27]-[31]，可重构/可调谐双模滤波器[32]-[36]，以及基于可切换延迟线的可重构带通滤波器。

下面，我们将要介绍若干新近开发出来的典型的电子可重构微带线滤波器。

可调谐梳状滤波器微带线梳状滤波器是开发可调谐或者说可重构带通滤波器颇受欢迎的结构[2]-[9]。

图1 是一个3-极点可调谐梳状滤波器的示意图，其中每一个长度小于工作频率的四分之一波长的微带线谐振器的一端是短路相接的，另一端则加载一只变容器。

在这个例子中，变容器是基于铁电体钛酸锶钡（BST）薄膜的。

每一个BST 变容器的偏置网络包含有一个与变容器相串联的隔直电容器。

带通滤波器的中心频率可以通过改变施加到变容器的直流偏置来进行电子调谐。

图1、一个可调谐梳状带通滤波器的示意图[2]。

图2 举例说明了与BST 薄膜进行单片集成的可调谐梳状滤波器的制作和其测量性能。

正如在文献[3]中所报道的，对于直流偏置，在BST 薄膜之上，又沉积了一层阻性氮化钽（TaN）薄膜并制作相应的图案。

TaN 薄膜的表面电阻率大约是1-10KΩ/每单位面积(Square)，被用来将直流偏置信号导引到电路上，而同时将对电路射频性能的影响减到最小。

将BST 薄膜电容器与铝土基片，铜电极，和过孔相集成，从若干个方面推进了可调谐介电技术，这种调谐技术可以开发更复杂的射频和微波电路。

图2、(a)一个采用了钛酸锶钡薄膜的X-波段（8-12GHz）梳状可调谐滤波器和(b)其测试性能[3]。

在进行中心频率调谐时所出现的带宽波动是一个众所周知的问题。

一般来说，为了保持一个与调谐频率无关的绝对的通带带宽，耦合系数必须与调谐频率成反比。

已经存在一些解决这个问题的技术，例如文献[4]和[8]。

在文献[8]中，人们研究了采用阶梯阻抗微带线谐振器的变容器调谐梳状带通滤波器，这样可以更好地控制谐振器之间的耦合，从而可以通过使用较短电长度的线段元件来满足恒定带宽的要求。

同时，人们采用了集总式电感器来作为输入和输出耦合网络，从而使得外部品质因数（Q）直接随着调谐频率而变化。

人们已经演示了这种类型的一个四极点滤波器，在2GHz下250MHz 的调谐范围内，3-dB 通带带宽的变化小于3.2%。

在文献[4]中，理论分析表明，对于一个可调谐N-极点滤波器，N 是谐振器的数量，其品质因数（figure of merit） 定义为通带中心频率的偏移与平均通带的比值，它取决于损耗或调谐变容器的Q 值及滤波器的阶数。

由于Q 是与功率损耗成反比的，损耗越大，Q 值就越小。

一般来说，品质因数（或调谐范围）在小Q 值及大N 值的条件下会有所降低。

人们可以通过实施源/负载多谐振器耦合来设计具有多个传输零点以改善上阻带性能的可调谐平面梳状滤波器。

正如在文献[9]中所演示的，这可以通过在经典梳状构造中增加两个新的耦合线而得以实现，如图3（a）所示，其中我们可以看见两条薄的线从源/负载端伸向内部谐振器。

图3（b）绘制了所测得的具有分布在上阻带的五个传输零点的滤波器的性能。

滤波器的中心频率可以在750MHz 到900MHz 之间进行调谐，滤波器使用的是Philips 公司的BB149 变容二极管，在0V 到20V 的偏置电压下，这个二极管电容值的变化范围是2 到20pF。

变容器的偏置元件是6.8pF 和22nH。

图3、(a) 所制作的采用源/负载多谐振器耦合的3-极点电调梳状滤波器和(b)它的测量响应[9]。

射频微机电系统可重构滤波器采用射频微机电系统可重构滤波器而不是变容器来改变谐振器滤波器中谐振器的长度或其电路参数则形成了第二类可重构滤波器[10]-[15]。

在这种情况下，电子调谐通常是采用数字方法来实现的，这种方法可以实现具有良好性能的大的调谐范围，这包含了低损耗和高线性度。

图4 展示了一个这种类型的滤波器的例子。

在这种情况下，正如文献[11]中所报道的，这种拓扑结构是基于分布式半波长微带线谐振器上的，而这种谐振器则是在高阻性硅基片上制作的。

这是一个具有两个谐振器的带通滤波器，在每一个谐振器的末端添加一个容性贴片，这便允许低损耗地实现一个伪2-比特（pseudo 2-bits）中心频率的移动。

测量得到的滤波器响应示于图4（b）中，其中通带可以在四个不同的中心频率处进行重构。

图4、（a）一个2-比特射频微机电系统可重构滤波器的照片和（b）它所测得的响应[11]。

文献[13]中报道了在差分4-比特射频微机电系统可调谐滤波器方面所进行的开创性的工作。

这个滤波器展示出极其微细的调谐精度，可在6.5 到10GHz 之间进行宽调谐范围的滤波，具有16 个频率上彼此相邻的不同的滤波响应，类似于一个连续可调谐滤波器。

要了解更多有关射频微机电系统可重构滤波器的信息，请参考本杂志中专注于这个论题的文章[16]。

压电传感器可调谐滤波器压电传感器（PET）也已经同样被用来开发电调微带线滤波器[17]-[19]。

图5 对一个PET 可调谐微带线滤波器的构建进行了说明。

正如在文献[17]中所报道的，这个可调谐滤波器电路包含有采用级联微带线开环谐振器[20]所组成的滤波器，一个PET 和一个在滤波器上方所附着的一个电介质微扰器。

PET 是由铅（lead），锆酸盐(Zirconate)和钛酸盐(Titanate)组成的。

图5 所示的PET是由两个压电层和一个垫片层组成的。

夹在两个同样极化的压电层之间的垫片层增加了机械强度和硬度。

垫片连接到直流电压的一个电极上来使PET 发生偏移，并且使之上下垂直运动。

正如我们在图5 的结构中所能看到的，当微扰器上下运动时，滤波器的有效介电常数便会分别降低或增加，从而使得滤波器的通带向较高频率或较低频率处移动。

图5、可调谐带通滤波器的构建[17]。

（a）顶视图。

（b）三维视图。

可重构UWB 滤波器具有可切换陷波的UWB滤波器图6 是所开发的具有可切换陷波频段的UWB 带通滤波器的图片[24]。

从根本上说，没有陷波的UWB 滤波器是一个最佳的分布式高通滤波器，它在微带线上含有5段短路截线和四段连接线段[1]。

图6、具有两个可切换陷波结构的微带线UWB 滤波器[24]。

为了在UWB 滤波器的通带上实现一个可切换的陷波，如图7 所示。

两个完全相同的可切换陷波结构被集成进入两条连接线段中。

这个结构中增加了一个宽带直流偏置电路。

从原理上讲，图7 中的可切换陷波结构是一段具有一个镶嵌截线的传输线[39]。

当p-i-n 二极管处于零偏置状态时，由于其非常小的结电容而呈现出一个很大的阻抗，因此镶嵌截线的作用便是一个可以产生谐振的开路截线。

因此，在其基频谐振频率上，镶嵌的开路截线在主传输线上显示出短路的特性，从而产生一个窄的陷波频段或者说是频率响应中的陷波。

这种情况对应的是陷波接通的状态。

为了关闭陷波，一个正向偏置被施加到p-i-n 二极管上。

在正向偏置下，p-i-n 二极管相当于一个很小的电阻。

因此，镶嵌截线的开路端是与主传输线相连的，从而，没有来自于这个镶嵌截线的谐振。

因此，陷波便会消失。

图7、一个可切换陷波结构的示意图[24]。

图8 展示了可重构UWB 滤波器仿真和测量的响应，其中，我们可以观察到在中心频率约为5.1GHz 处的陷波的接通/关闭，当其接通时，其抑制比大于35dB。

为了接通陷波，p-i-n 二极管（M/A-COM MA 4AGSBP907）是处于零偏置状态。

当关闭陷波时，滤波器的性能与当p-i-n 二极管处于2.5-5mA 的正向偏置状态下的性能来说几乎是一样的。

所测得的最小插入损耗为0.5dB，并且测量得到的3dB 带宽为5.92GHz。

仿真和测量结果之间很小的差异可以解释为是由制造公差，p-i-n 二极管，芯片电感或电容的杂散效应所引起的。

图8、仿真和测量结果的比较[24]。

（电磁(EM)仿真是使用商业化的工具得到的[40]。

）具有可调谐陷波的UWB 滤波器在图6 中，人们用变容二极管来替代p-i-n 二极管便可以产生一个可调谐陷波结构。

因此，前面所讨论的可重构UWB 滤波器可以进行修改，从而具有一个可进行电子调谐的陷波频段。

所采用的是M/A-COM 公司的具有恒定伽玛值的GaAs 倒装芯片变容二极管[25]。

图9（a）展示了MA46H120 变容二极管典型的性能曲线。

为了进行实验演示，具有可调谐陷波的UWB 滤波器是在液晶聚合物上（LCD）实现的，基片的相对介电常数为3.0，厚度为0.5mm。

图9(b)是所制作的滤波器。

除了用变容二极管来替代p-i-n 二极管外，其版图设计与图6 的类似。

变容二极管是通过一个10kΩ 电阻与直流电压相连接的。

图9、（a）MA46H120 变容二极管典型的性能。

（b）采用MA46H120 变容二极管所制作的具有可调谐陷波的可重构超宽带滤波器[25]。

图10 是所测得的可重构UWB 滤波器的响应。

当没有直流偏置时（0V），在通带上没有陷波，如图10（a）所示。

这是因为变容二极管电容在0-V 偏置下是如此之大，以至于它将陷波频段移动到了通带以下。

当直流偏置在4V 到14V 时，陷波频率在UWB 通带内4.5GHz 到6.5GHz 范围内被调谐，如图10（b）所示。