王焱飞，游 彬

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

中心频率和负群时延可调带阻滤波器的设计

王焱飞，游 彬

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

采用耦合线设计了一种中心频率和负群时延NGD可调的带阻滤波器，可调的中心频率和负群时延分别由变容二极管和PIN二极管来实现.为了改善回波损耗，设计了具有输入/输出阻抗匹配的可调带阻滤波器.仿真和测试结果表明，单独调节时，中心频率和负群时延的调节范围分别为1.450 GHz～1.870 GHz和-2 ns～-30 ns；同时调节时，可调范围分别为1.680 GHz～1.860 GHz和-4 ns～-14 ns.

带阻滤波器；可调中心频率；负群时延；短路耦合线；信号衰减

0 引 言

随着微波毫米波通信的快速发展，“负群时延(Negative Group Delay, NGD)”或“超光速传播”的物理现象受到越来越多的关注，这些现象发生在吸收线附近或信号衰减较大的传输媒介中.近年来，负群时延现象已在电子电路中实现，并在各种通信系统中得到广泛应用[1-2].国外已采用各种结构来实现负群时延电路或滤波器，比如缺陷微带结构、缺陷接地结构、3-dB混合耦合器和传输线等[3-9]，也有采用non-Foster活性元素和左右手混合材料的新型结构[10-11].然而，这些研究中的结构都只能实现固定的中心频率和负群时延.

图1 可调带阻滤波器整体结构图

现代移动通信对无线通信设备集成化、小型化提出了越来越高的要求，且越来越多的通信制式被制定出来，对可调滤波器的性能要求也越来越高.文献[12-14]对可调负群时延电路进行了研究.文献[12-13]中的结构只能实现可调的负群时延，文献[14]中的结构虽然可以同时调节中心频率和负群时延，但其调节范围比较窄，文献[13-14]中采用的3-dB混合耦合器导致插入损耗增大.为此，本文设计了一种具有输入/输出阻抗匹配的可调负群时延带阻滤波器，通过改变变容二极管和PIN二极管两端的电压实现了可调的中心频率和负群时延，其调节范围更宽，信号衰减更小.

1 理论分析和计算

本文设计的可调带阻滤波器结构如图1所示，其主体结构由微带线和短路耦合线构成，与主体结构连接的变容二极管和PIN二极管用于调谐中心频率和负群时延.变容二极管CV1用于调节滤波器的中心频率，CV2用于对S11的谐振频率进行调整，PIN二极管RV用于调节滤波器的负群时延，CDC为隔直电容，LRFC为射频扼流圈.微带线ZT1，ZT2，ZT3和ZT4为匹配电路，用于改善滤波器的回波损耗，其中短路线ZT3和ZT4用于将输入阻抗匹配为纯电阻形式，便于输入导纳与端口导纳形成复共轭匹配.

可调滤波器的集总元件等效电路如图2(a)所示，该等效电路图未包含匹配电路部分和变容二极管CV2.图2(a)中，虚线框内为PIN二极管RV等效电路，短路耦合线的等效电路由L1，L2，L12和C12构成，导纳变换器J1和J11分别与微带线Z2和Z3相对应.可以看出，通过调节CV1可以改变LC谐振电路的谐振频率，相应地改变滤波器的中心频率.通过调节Rj可以改变RV，从而进行负群时延的调谐.

(1)

(2)

从图1中可以看出，本文设计的滤波器的整个结构是关于TT’面对称的，因此可采用奇偶模分析法进行理论分析，奇偶模分析的等效结构如图2(b)所示.连接有负载电阻YL=1/RV的短路耦合线的输入导纳YCin可用式(1)表示，式(2)为奇偶模输入导纳Yino和Yine的表达式.

图2 滤波器等效结构图

当式(2)中奇偶模输入导纳的虚部为0时，即可得到奇偶模谐振频率fo和fe，滤波器的中心频率f0及负群时延τ|f=f0分别为：

(3)

(4)

设计可调滤波器需要定性地了解CV和RV对中心频率及负群时延的影响.但由于f0和NGD的解析式过于复杂，已无法直观得到CV和RV改变时对其造成的影响.将所有参数值代入式(1)—(4)计算不同CV和RV对应的f0和NGD，并绘制CV和RV对f0和NGD的影响曲线.为了验证理论分析及计算的正确性，本文采用ADS软件对图1所示电路中CV和RV对中心频率f0和负群时延的影响进行了仿真，仿真结果与计算结果的对比图如图3所示.由图3可以看出，中心频率f0仅与CV有关而不受RV的影响，且f0随CV的增大而减小，所以改变CV即可实现对中心频率的调节.而负群时延NGD则同时受CV和RV的影响，但由图3可以看出，NGD受RV的影响较大，而受CV的影响相对较小，所以调节NGD需以调节RV为主，且每次调节中心频率后，需要调整RV使NGD保持相同值.尽管如此，依然可以看出本文设计的滤波器结构可灵活调节中心频率和负群时延.

图3 CV和RV对中心频率和负群时延的影响

图3中，理论计算与ADS仿真的CV和RV对中心频率和NGD的影响趋势一致，但具体数值上存在一定差异，这是因为在f0和NGD的解析式推导过程中，采用了一定的近似值引起的，但这种数值上的误差并不影响本文的定性分析.

2 测试结果

为了验证上述理论分析，对所设计的可调带阻滤波器进行加工和测试.加工所用的基板材料为Rogers RO4350B，其介电常数为3.66，介质损耗为0.003 7，板材厚度为0.508 mm，变容二极管和PIN二极管的型号分别为Skyworks公司的SMV1232-079LF和SMP1302-079LF，变容二极管和PIN二极管控制电路中CDC分别使用20 pF和6 pF的电容，所有LRFC均使用100 nH的电感.设计的滤波器的实际尺寸参数如表1所示.

表1 可调负群时延滤波器的尺寸参数 mm

未加变容二极管时，S参数和负群时延的仿真与测试曲线的对比如图4所示.图4中，测试曲线对应的中心频率为2.170 GHz，将负群时延调整为-7.5 ns，PIN二极管两端电压V2为0.650 V.可以看出，测试曲线与仿真曲线基本一致，只是在中心频率上有所偏差，这主要由PIN二极管的寄生电容所引起，不过并不排除加工误差和焊接误差等对其造成的影响.

单独调节负群时延时所设计滤波器的测试曲线如图5所示，在0.606 V～0.998 V范围内改变PIN二极管两端电压V2，可以实现负群时延在-2 ns～-30 ns范围内变化，在改变V2时中心频率一直保持在2.170 GHz，这也验证了前面定性理论分析所得出的结论.在整个调节过程中，信号衰减S21最大达到39.60 dB，回波损耗S11均大于12 dB.

图4 NGD=-7.5 ns时，仿真和测试对比图

图5 单独调节负群时延的测试波形

图6为本文设计的可调带阻滤波器单独调谐中心频率时的实测波形，从0.300 V到8.900 V调节变容二极管两端的电压V1，中心频率随之在1.450 GHz～1.870 GHz之间变化(可调带宽BW=420 MHz)，由前面理论分析可知，在调节中心频率的同时，CV的变化会引起负群时延发生改变，所以在调节V1时需要微调PIN二极管两端的电压V2，使负群时延保持在-7 ns.整个调节过程中，信号衰减均小于21.40 dB，同时回波损耗均大于14 dB.

图7为同时调节中心频率和负群时延的测试波形，中心频率和负群时延的可调范围分别是1.680 GHz～1.860 GHz(BW=180 MHz)和-4 ns～-14 ns.整个调节过程中信号衰减小于22.50 dB，回波损耗大于14.50 dB.所设计滤波器实物图如图7中小图所示，实际物理尺寸为67.52 mm×64 mm.

图6 单独调节中心频率的测试波形

图7 同时调节中心频率和负群时延的测试波形

对比图5和图7发现，负群时延的可调范围不同，这是由中心频率的不同引起的，不同的中心频率实现相同NGD所需的阻值不同，所以，f0不同时相同阻值实现的NGD也不同.与此同时，图6和图7中，中心频率的可调范围也不一致，这是因为图6中的NGD固定在-7 ns，而图7中的NGD是变化的，也就是说NGD不同时，相对应的中心频率的可调范围也会有所不同.本文设计的可调滤波器与相关研究成果的对比结果如表2所示.从表2可以发现，目前文献中看到的NGD最大为-20 ns，中心频率可调范围为200 MHz，而本文设计的滤波器可达到的NGD最大值为-30 ns，中心频率的最大可调范围为420 MHz，而且信号衰减更小.

表2 负群时延滤波器性能指标对比

3 结束语

本文设计了一种中心频率和负群时延均可调的带阻滤波器.在理论分析的基础上，对其进行仿真、加工和测试，测试结果与仿真结果基本一致，验证了其灵活的调谐性，可灵活设计负群时延、中心频率及损耗特性.与相关文献中设计的可调滤波器相比，本文所设计的可调带阻滤波器具有较宽的可调范围，同时插入损耗更小.仍有需要改进的地方，比如如何减小PIN二极管寄生电容对中心频率的影响，如何实现带宽可调，在今后的研究中有待进一步完善.

[1] CHAUDHARY G, JEONG Y. Transmission-type negative group delay networks using coupled line doublet structure[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2015,9(8):748-754.

[2] 邓良,戴永胜.基于多级不对称耦合器负群延时电路研究[J].电子与封装,2014(9):33-35.

[3] CHAUDHARY G, JEONG Y, LIM J. Miniaturized negative group delay circuit using defected microstrip structure and lumped elements[C]//Microwave Symposium Digest (IMS), 2013 IEEE MTT-S International. IEEE, 2013:1-3.

[4] CHAUDHARY G, JEONG J, KIM P, et al. Compact negative group delay circuit using defected ground structure[C]//2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings(APMC). IEEE, 2013:22-24.

[5] CHAUDHARY G, JEONG Y. Distributed Transmission Line Negative Group Delay Circuit With Improved Signal Attenuation[J]. IEEE Microwave & Wireless Components Letters, 2014, 24(1):20-22.

[6] CHAUDHARY G, JEONG Y. Low Signal-Attenuation Negative Group-Delay Network Topologies Using Coupled Lines[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2014, 62(10):2316-2324.

[7] CHAUDHARY G, JEONG Y. Transmission-Line Negative Group Delay Networks With Improved Signal Attenuation[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2014, 13:1039-1042.

[8] CHAUDHARY G, KIM P, KIM J, et al. Coupled line negative group delay circuits with very low signal attenuation and multiple-poles characteristics[C]//Microwave Conference(EuMC), 2014 44th European. IEEE, 2014:25-28.

[9] CHAUDHARY G, JEONG Y, LIM J. Microstrip line negative group delay filters for microwave circuits[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2014,62(2):234-243.

[10] MIRZAEI H, ELEFTHERIADES G V. Realizing Non-Foster Reactive Elements Using Negative-Group-Delay Networks[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013,61(12):4322-4332.

[11] CHOI H, JEONG Y, LIM J, et al. A Novel Design for a Dual-Band Negative Group Delay Circuit[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2011,21(1):19-21.

[12] CHAUDHARY G, JEONG Y, IM J. A design of reconfigurable negative group delay circuit without external resonators[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015,14:883-886.

[13] JEONG J, PARK S, CHAUDHARY G, et al. Design of tunable negative group delay circuit for communication systems[C]//Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012:59-61.

[14] JEONG J, PARK S, CHAUDHARY G, et al. Design of tunable negative group delay circuit for communication systems[C]//Radio-Frequency Integration Technology(RFIT), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012:59-61.

DesignofBandstopFilterwithTunableCenterFrequencyandNegativeGroupDelay

WANG Yanfei, YOU Bin

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A bandstop filter(BSF) with tunable center frequency and negative group delay(NGD) using coupled line is designed. The tunable center frequency and NGD can be achieved by varactors and PIN diodes. In order to improve the return characteristic, a tunable filter with input/output impedance matching is designed. The simulated and measured results show that the independently tunable ranges of center frequency and NGD are 1.450 GHz～1.870 GHz and -2 ns～-30 ns, respectively. The center frequency and NGD can be adjusted within 1.680 GHz～1.860 GHz and -4 ns～-14 ns when they are adjusted at the same time.

bandstop filter; tunable center frequency; negative group delay; shorted-circuit coupled line; signal attenuation

TN713+.5

A

1001-9146(2017)05-0007-05

2016-11-08

国家自然科学基金资助项目(61671195)；浙江省自然科学基金资助项目(LY14F010090)

王焱飞(1993-)，女，河南郑州人，硕士研究生，射频滤波器.通信作者:游彬教授，E-mail:youbin@hdu.edu.cn.

10.13954/j.cnki.hdu.2017.05.002