可重构滤波器

可重构平板滤波器因为电可重构或可调微波滤波器在提高现在或将来的无线系统中将发挥越来越大的作用，所以吸引了很多这方面的研究。

比如，在新兴的超宽带技术中，需要很宽的频带。

然而，频谱资源是非常珍贵有限的。

所以，一定的频带宽度内，存在很多的应用目的。

这样，就意味着在在例如的超宽带应用中存在很多不需要的信号。

这些随着时间和地方不断变化的无用信号就可能干扰到超宽带系统。

解决方法之一就是在超宽带滤波器的通带内引进一个电可控或可调的狭小阻带。

这样的电可调滤波器也可以用于宽带雷达或电子战系统。

试预想未来的能被认可的无线电和雷达的应用，毫无疑问，电可调滤波器将在无线系统中发挥至关重要的作用。

一般情况下，制作一个电可重构滤波器，需要将有源开关或可调器件，如PIN 管，变容二极管，射频（RF）微系统（MEMS）或其他以功能材料为基础的元件，包括铁电变容二极管集成在无源滤波结构中。

因为微带滤波器具有小型化的特点，所以基于微带结构的可调或可重构滤波器已经成为了研究的热点。

这些滤波器可以分为可调梳状带通滤波器，射频可调微机电系统（RF MEMS）滤波器，可调压电换能器（PET）滤波器，可调高温超导体（HTS）滤波器，可重构超宽带滤波器，可调双频滤波器，可调带阻滤波器，可重构/可调双模滤波器，和基于交换式延迟线方法的可重构带通滤波器。

下面将介绍近期一些典型的电可重构微带滤波器。

可调梳状滤波器微带梳状滤波器是可调或可重构带通滤波器最常用的结构。

图1是一个三极可调梳状滤波器的示意图，其中每一个微带谐振器的长度都比在工作频率时的四分之一波长更短，并且一端短路，另一端接变容二极管。

在这个例子中，偏置网络由基于铁电材料或钛酸锶钡薄膜的变容二极管和电容构成的各个隔直电路组成。

通过改变变容二极管两端的直流偏置电压能够调整带通滤波器的中心频率。

图二显示的是一个基于BST薄膜集成单片的可调梳状滤波器实物图和测试图。

如[3]所述，直流偏置BST薄膜上附有一层具有阻性的氮化钽（TAN）薄膜。

氮化钽薄膜的表面电阻约为1-10KΩ/㎡。

它可以导通直流偏置信号，从而减小其对射频信号的影响。

考虑到更复杂的射频微波电路，集成拥有氧化铝基板，铜电极，介质通孔的BST薄膜的电容器具有其优越性。

图1 可调梳状带通滤波器结构图2(a) X频段（8-12GHz）BST薄膜集成单片的可调梳状滤波器,(b)测试结果随着中心频率的偏移，带宽也会随之变化，这是一个常见的问题。

通常来说，要想获得一个独立与频率变化的绝对通带带宽，耦合系数必须与调谐的频率成反比。

已经有解决这个问题的一些技巧，例如[4]和[8]。

在[8]中，变容调谐的梳状滤波器使用的是阶梯阻抗微带谐振器。

这样，里面的谐振耦合能够很好的满足恒定带宽的要求，并且微带线拥有更短的电长度。

同时，输出或输入端耦合网络的集总电感能够使外部的品质因数（Q）随着频率的变化而变化。

事实上，一个这种类型的四级带通滤波器在2GHz点的3dB通带带宽在250MHz的调谐范围内变化了3.2％。

在[4]中，理论研究表明，可调N级滤波器通带的中心频率的变化量与平均带宽的比值与损耗或调谐二极管的Q值和滤波器级数有关。

其中，N是谐振器的个数。

因为Q值得大小与功率损耗成反比，所以，损耗越大，Q值越小。

一般来说，调谐范围随着Q值的减小，或N的增大而减小。

源或负载的多谐振器耦合能够应用于设计可调梳状滤波器，而且多个传输零点，能够改善上阻带的性能。

就像[9]中所述，通过在经典的梳状耦合线间增加两个新的耦合线就能够实现，如图（3）所示，在耦合线中的连接源和负载的两条很细的微带线。

图3(b)是滤波器的测试结果，图中在滤波器的上阻带有五个传输零点。

这个滤波器的中心频率在750-900MHz内可调。

滤波器使用的是飞利浦公司的BB149变容二极管，当偏置电压在0-20V间变化时，该二极管的电容值在2-20pF内变化。

变容二极管的偏置为6.8pF和22nH。

图3(a)多级源/负载谐振耦合三极点可调梳状滤波器，(b)测试结果RF MEMS可重构滤波器在谐振器滤波器中使用RF MEMS开关代替变容二极管改变谐振器的长度或电路性能，这就构成了第二种可重构滤波器。

这种情况下，电可调通常变为数字化，而且在一个很大的调谐范围内有良好的性能，包括低损耗和高线性度。

图4所示就是这样的一个滤波器。

如[11]所表述的那样，制作于高阻性硅介质上的拓扑结构基于分布式半波长谐振器。

这是一个2谐振器带通滤波器，每个谐振器的末端都有一个电容，这样在低损耗情况下就有一个近似2位的中心频率偏移。

该滤波器的测试结果如图4(b)所示，在四个中心频率点都重构出近似的通带宽度。

关于不同的4位RF MEMS可调滤波器的前期工作在[13]中有提到。

这个滤波器在其调谐范围6.5-10GHz内有16个邻近的滤波器响应曲线，而且其分辨率就像连续的可调滤波器一样。

要想获得更多的关于RF MEMS可重构滤波器的资料，可以查找致力于这个研究的文章[16]。

图4(a)2字节射频微机电系统可调滤波器，(b)测量结果可调压电换能器（PET）滤波器PET也用于电可调微带滤波器[17]-[19]。

图5是一个PET可调微带带通滤波器的结构示意图。

如[17]所述，可调滤波器电路由使用开环谐振器级联的滤波器，一个PET，还有滤波器上的介质微扰组成。

PET是铅，锆，钛酸的合成物。

如图5所示，PET由两个压电层，一个垫片层组成。

中间的垫片和夹层之间的两个相同极化的压电层，增加了滤波器的机械强度和刚度。

垫片连接在直流电压的一极，从而能够偏转PET，使之垂直向上或向下移动。

我们从图5的结构图中可以得知，当微扰向上或向下移动，滤波器的有效介电常数减小或是增加，从而使得滤波器的通带变高或变低。

图5 可调带通滤波器结构(a)，俯视图(b)，3D图可重构超宽带滤波器图6所示，一个超宽带带通滤波器的通带里面有一个可切换的缺口带。

基本上，没有缺口带的超宽带滤波器是在微带线上拥有五个短路枝节和四个相连接的微带线组成的最佳分布高通滤波器。

如图7所示，为了实现在超宽带滤波器的通带内形成一个可切换的缺口阻带，在滤波器的两个连接线之间有两个相同的可切换的缺口结构。

连接线上接有宽带直流偏置电路。

事实上，图7中所示的可切换缺口结构就是一段传输线中嵌有一小段微带线。

当PIN管的偏置为零时，因为其很小的结电容而表现出高阻抗，此时内置的微带线作为开路端的微带谐振器。

因此，在它的基谐振频率上，内置的开路微带线在主传输线上呈现短路，这样，在频率响应上就形成一个窄的阻带，或缺口带。

这对应的是缺口带呈现开状态的情况。

当PIN管上的偏置合适的时候，阻带会呈现关的状态。

当偏置合适的时候，PIN管会呈现一个很小的阻抗。

这样，内置微带线在与主传输线连接端为开路，所以不产生谐振。

那么，缺口带也就消失了。

图6拥有两个可切换陷波结构的超宽带微带滤波器图7 可切换陷波结构说明图图8为一个可重构超宽带滤波器的仿真和测试的响应结果，不难看出，在其中心频率5.1GHz处缺口带能够呈现开关两种状态，而且当缺口带为开时，插入损耗达到35dB，此时，PIN管（M/A-COMMA4AGSBP907）的偏置电压为0V。

当缺口带关时，滤波器在PIN管合适的偏置2.5-5mA时几乎有相同的响应结果。

测试的最小插损为0.5dB，3dB带宽为5.92GHz。

测试和仿真结果的微小差异可能来源于制造工艺，PIN二极管的寄生效应，贴片电容和电感等。

图8 仿真与实测结果比较图（用商业电磁仿真软件工具[40]）拥有可调陷波的超宽带滤波器在图6中，将PIN二极管用变容二极管代替就构成了可调缺口带滤波器。

因此，很容易就能将前面所说的可重构超宽带滤波器修改为电可调缺口带滤波器。

M/A-COM公司的恒γ砷化镓变容二极管倒装芯片能够实现电可调功能。

图9(a)为MA46H120变容二极管的典型工作曲线。

测试中，拥有可调缺口带的可重构超宽带滤波器所用的介质基板为LCP介质板，相对介电常数为3.0，厚度为0.5mm。

图9(b)为滤波器实体。

它的布局和图6相似，除了用二极管替换了PIN管。

二极管两端通过10KΩ的电阻与直流偏置相连。

图9 (a)变容二极管MA46H120典型工作曲线(b)使用MA46H120变容二极管的可重构超宽带可调陷波滤波器实物图图10是这个可重构超宽带滤波器的测试结果图。

当偏置为0时，通带内没有陷波产生。

如图10（a）所示。

这是因为变容管容值太大，以至于陷波的频点低于通带频率。

当偏置电压从4V 到14V 变化时，陷波在超宽带通带内从4.5G 到6.5G 变化。

测试图如图10（b ）所示。

图10具有可调陷波可重构滤波器的测试结果(a)0V 偏置电压时，没有形成陷波 (b)非零偏置，具有陷波的测量结果BST 变容管的具有缺陷地结构的可调带阻滤波器因为电可调微波电路灵活应用的发展，例如BST 等的铁电材料变得越来越受欢迎。

接下来，将描述一款新型的BST 变容管可调带阻滤波器。

BST 变容管BST 变容管的容值可调性可以定义为：容值可调性=max min max100C C C -⨯％， （1） 其中max C 表示当偏置电压为0V 时候，BST 变容管的容值, min C 是变容管偏置在非零状态下获得的容值。

当直流偏置电压的绝对值增加时，min C 会相应减小。

这是由于BST 材料的相对介电常数会根据直流电压减小。

一般情况下，BST 二极管被设计为金属—绝缘体—金属或者是交趾电容(IDC )的形式。

BST 交趾电容器的容值只在一个很小的范围内可调，这是由于内部的边缘电容对直流偏置电压没那么敏感的缘故。

图11是一个典型的BST 交趾电容器的特性参数图。

当需要一个低电容或简单的制造工艺时，BST 可调交趾电容器是一个不错的选择。

图11 BST 交趾变容管的可调曲线(20根长100m μ，宽5m μ的交趾在1MHz )如[28]发表的那样，IDC BST 交趾变容器的制造结构如图12(a)所示。

一个0.5m μ厚的0.50.53()Ba Sr TiO BST 薄层通过脉冲激光沉淀法沉积在(001) MgO 的基片(厚度为0.5mm)上。

该方法在全氧情况下使用了一个5Hz 的激光脉冲，该脉冲的能量密度为：1.52Jcm -[42]。

制作好的BST 二极管材料有一个可变的相对介电常数：700-1200，,并且电场强度会在3.5-0/m V μ内变化。

BST 薄膜损耗角δ的正切在10z MH 时的测量结果为0.1-0.2。

图12(a)在MgO 介质上BST 变容二极管结构，(b)BST 变容管变容单元如图12（b ）所示的有六个交指的IDC 是 BST 变容管的基本单元，在[28]中有应用。