张友俊，杨 希

(上海海事大学信息工程学院，上海 200120 )

1 引言

随着移动通信、雷达通信和数据多媒体技术的不断发展，信号所在的传输环境也在不断发生变化，而在复杂的通信环境之中对于收发端有着更高的要求。特别是5G通信全面普及的今天，对于射频前端滤波器部分也有了更高的发展要求。根据射频器件巨头Skyworks的预计，到2020年，5G应用上支持的频段数量将成倍数上升，至少会新增50个以上通信频段，全球不同制式网络合计可使用的频段将达到91 个以上。而对于通信的一个使用频段而言，一般来说至少需要两个以上的滤波器，因此随着手机频段数不断上升的直接结果就是手机中使用的射频滤波器数量也会随之上升，而手机中滤波器的成本也在日渐上升。滤波器市场的前景可谓一片大好，但是滤波器仍然是射频前端[1]中最具挑战性的器件。这个模块的应用广泛存在于各类通信器材的收发段之中，其主要作用就是充当一个窗口作用进行信号的筛选，使在通带之中的信号可以完好的通过，而处于阻带之中的信号则被滤除。随着不断发展的可重构射频前端的背景之下，前端部分拥有更好的灵活性和更好地滤波性能[2]则是之后的总体发展方向。可重构滤波器是可重构射频前端重要的组成部分，它的发展也与射频收发端的发展紧密相连。而到目前为止，已经有几种不同的可调的滤波器被提出。最早是一款频率可重构的低频滤波器被提出，之后便有可调频带更宽的带通微带线电调滤波器的结构[3]出现，但是其缺点是调节范围较小。直到后来又有一种新型的结构实现更宽范围调节的可重构滤波器被提出来，这种滤波器的可调区间有600MHz。根据这些可以看出，为了适用于不同的通信环境，频率和带宽成为了今后可重构滤波器设计的切入点。同时，这两个指标值也是滤波器研究的最终目标。

此次设计并仿真了一种新型中心频率可调，带宽切换后保持不变且可高低频率切换的带通滤波器，它的设计指标为中心频率是1.25GHz，3dB处的带宽是100MHz，在1.3GHz处的衰减大于30dB。由于在滤波器的结构设计之中使用了两个开关元件[4]，使之成为两个结构可切换的谐振器，所以拥有较高和较低两种谐振模式。在上面加载了可调节的电容[5-6]部分，通过偏置电压控制变容电容，使之可以对滤波器中心频率的控制[7-8]，从而使此滤波器拥有较宽的频率调节范围[9]。同时，使其切换后带宽保持不变。并通过ADS仿真测试可以实现如上调节。

2 滤波器的设计理论

在这一节中将介绍频率可调带宽保持的带通滤波器的设计及仿真，通过在梳妆结构之上加载电调开关从而实现一个结构的切换，扩宽相应的频率。通过其上加载的电压调节来实现中心频率调节。

2.1 中心频率调节控制

要想对滤波器的中心频率进行调节，那么有两个主要的方法，其一是调节谐振器的长度，再或者就是在谐振器的一端加载上一个变容电容或者电感元件，使用电调方式进行频率控制。但是前者受限于尺寸的限制，所以较少用于设计之中。而后者之中的加载电感[10-11]的方法，由于电感值的调节十分较困难，所以大部分设计方法是通过加载电容方法，将电压施加到可变电容之上的方式进行调节[12]，这种进行调节的方式也是十分简单便捷的。假设终端开路的微带线的特征导纳设为YC=1/ZC，那么根据传输线的理论可以知道

(1)

上式之中的L是微带线的线长，Yin是输入导纳，当L<λ/4时，输入的导纳则会呈现容性。可以得到等效的电容值C

(2)

由上式可知，当加载于谐振器之上的电容值变化[13]的时候，相应的导纳也会发生变化，谐振器等效长也会发生改变，即滤波器的中心频率也会跟着变化。本设计之中使用变容二极管作为滤波器的调控部分，其电容值也易于控制。

2.2 微带线的耦合分析

当两个微带线平行放置进行耦合[14-15]时。其微带线之间的耦合系数的定义式为：

(3)

而结构中的滤波器单元通常是由微带长等于λ/n的开路线所组成的，这个结构是可以等效看作一个RLC的谐振电路。可以由等效电路进而求得耦合系数。对于对称结构的微带线相互耦合来说，电耦合和磁耦合两种耦合是同时存在的，这也是可以通过等效网络进行求值。因为磁耦合是与频率成反比，而电耦合是与之相反成正比。所以等效的总体耦合系数是

|k|=|km|-|ke|

(4)

如果磁耦合的值大于电耦合值时，那么总体的耦合系数是与磁耦合有着相同的极性。此时当频率减小时，总体的耦合系数会随之增加，进而使滤波器的带宽保持不变。而要达到这个条件则需要外部品质因数Q与频率成正比。

2.3 控制结构的设计

因为在实际的环境之中，电源往往有着其它的干扰因素的影响，使得使用的电源无法达到一个理想的状态，而为了使得整体结构上的电位不会因为干扰而发生改变，则需要使用一个滤波结构对使用的电源进行滤波，通过滤波电路滤除电源部分的低频和高频的干扰，从而使电源有一个稳定的输出且使电源不会和信号之间产生相互干扰。图示之中主要使用了一个开关二极管元件DIODE和电容C元件，其中在电源端口处并联了一个电容C作为去耦作用进行滤波，消除高频信号的干扰，然后加载了一个隔直流的电容用来防止直流电源部分对于信号的影响，消除低频信号干扰。从而达到使得信号有稳定输出的目的，其中滤波部分电路如图1。

图1 电源控制网络

2.4 整体结构设计

所设计的可重构滤波器采用开关连接的设计结构，连接两段耦合结构，从而使滤波器拥有高和低频两种模式，可以通过偏置电压对变容电容的控制，使之在两种不同的调谐模式进行切换。当在低频模式时候，它的频率范围是为f0-f1。而处于高频模式时，它的频率范围为f2-f3。信号在进入滤波结构时会进行一个高低谐振模式的选择，根据需求进行不同的模式选择之后相应的会有一个输出。而f0-f3这个频率范围则是带通滤波器可以得到的最大的一个频率调节的范围。如图2和图3。

图2 低频模式 图3 高频模式

在仿真软件ADS中，设计的可调带通滤波器的整体结构主要由ML5CTL_V、ML2CTL_V、SwitchV、VtPulse、电容C和平稳电源输出结构等组成。下图之中元件MLSUBSTRATE2则是作为模拟基板使用，Term元件作为50Ω的负载使用，S_Param则是放置S参数作为频率扫描控件使用，初始频率设定为0.1GHz，停止频率设定为3GHz，扫描间隔设定为0.01GHz，加载的开关使整体结构分为上下两部分，开关部分作为连接，VtPulse脉冲源用于控制开关元件SwitchV的闭合，使之可以进行高低频率模式的切换。当施加脉冲电压高于开关部分，那么此时开关则处于闭合状态，此时滤波器处于低频模式之中，即f0-f1。而当施加脉冲电压低于开关部分时，则开关处于断开状态，此时滤波器处于高频模式之中，即f2-f3这样一个频率可调带宽保持滤波器即可实现。设计的中心频率可调且带宽不变的可切换滤波器如图4。

图4 可调滤波器仿真原理图

图示之中中间ML5CTL_V部分为一个梳妆滤波器结构，它的结构简单，易于构造。且当它等效电容数值的增大时，相应的第二通带会更加远离滤波器的主通带，且稳定状态时第二通带的中心频率是主通带中心频率的4倍以上，这个特性有利于作为调节范围较宽的结构使用。设计主要有七步，其步骤可总结如下：

1)首先需要进行归一化参数，得到初始带通指标对应的低通指标；

2)再由相应的低通指标确定设计的阶数和电长度的确定；

3)使用各个微带线对地的归一化单位长来计算初始电容值；

4)由基板的厚度和相应导体的厚度进而确定相邻带宽之间的距离数值；

5)根据之前所得出的电容值和介电常数计算出相应的微带线的宽度；

6)使用ADS中计算工具计算出相应的微带线长；

7)在ADS模型之中带入上面的计算数值，并进行优化。

3 实验结果

设计的可调带通滤波器中心频率1.0GHz～1.65GHz频段之上实现灵活的电压调节频率，实现了650MHz范围的可调区间，并且高频在3dB处的带宽基本稳定于100MHz，低频时在3dB处的带宽则稳定于50MHz。其中各部分元件参数为：L=25mm、W1=0.3mm、W2=1.9mm、W3=2mm、S1=0.24mm、S2=1.4mm、C=5.1pF、电常数Er=3.48、厚度h=0.508mm。当调控电压V=0时，此时的中心频率为1.25GHz，在1.3GHz处的衰减30db，带宽为100MHz，实现了初始的设计指标，如图5。

图5 中心频率1.3GHz仿真结果

而当电路之中开关处于断开状态时候，此时的滤波器则是高频的调节状态，滤波器经过电压的调控后仿真结果如图6和图7和图8。

图6 中心频率1.4GHz仿真结果

图7 中心频率1.5GHz仿真结果

图8 中心频率1.65GHz仿真结果

上图之中分别是处于高频的时候ADS仿真结果。其中心频率分别是在1.4GHz、1.5GHz、1.65GHz时的仿真结果，上述中心频率对应的调控电压值分别为4V、12V、20V三种调节情况，在低频时候的带宽也基本保持于100MHz，图示结果也有着较好的下降沿，同时带外的抑制也是符合在低频率处较缓和，高频率处上升陡峭的特点。从以上三个频率点的选取，验证了滤波器在高频时候的频率可重构特性和带宽的基本保持不变。

而当加载开关处于导通状态的时候，这个时候由于等效线长的增加，整个滤波器则又会处于低频之中，其仿真结果如图9和图10和图11。

图9 中心频率在1.25GHz仿真结果

图10 中心频率在1.15GHz仿真结果

图11 中心频率1.0GHz仿真结果

上图是低频状态时的仿真结果，它们的中心频率分别为1.25GHz、1.15GHz、1.0GHz，这几个频率点分别对应的调控电压分别为0V、4V、8V。在调控电压的时候，中心频率也会随之改变。但是通带之外的下降沿是差于高频时候的。在低频率的时候，带宽也基本稳定于50MHz。从低频时选取的三点仿真结果也可以较好的验证滤波器在低频时的频率可重构特性且带宽在低频时基本维持50MHz不变。

其高低频状态的控制中心频率和带宽见表1和表2。

表1 高频状态控制

表2 低频状态控制

4 总结

此次设计采用电压调节和加载控制开关的方法。通过ADS仿真了一款在高低频率两个状态下，带宽维持在各自状态不变，且频率可调的带通滤波器。设计之中使用电调的方式，通过电压的改变，实现了对于中心频率和带宽保持的控制，它的调节中心频率在1.0GHz到1.65GHz之间进行变换，有着650MHz的可调区间，并且其带宽的变化区间在高低频时分别保持在100MHz和50MHz，只有低频率段的通带中插入耗损稍微大点之外，大部分调控区间插损都小于3dB。而处于高频状态时带外低频方向衰减缓和，高频处衰减比较陡峭，有着良好的滚降性，由此通过ADS仿真结果验证了这款频率带宽可调节滤波器是较为优良的，设计的方案具有可行性。