可调微带矩形环带通滤波器

2011 年 8 月
大的偏离。同时观察图 3 的结果，可以发现 PIN 管 开关断开时的隔离度在 10dB 左右，导通时的插入 损耗约为 1dB。
图 1 PIN 开关等效电路模型
微波开关利用 PIN 管在直流正反偏压下呈现近 似导通或断开的阻抗特性，实现控制微波信号通道 转换的作用。结合实际射频电路的应用特点，为简 化起见，加负电压（ 或零偏压） 时，PIN 管等效为电容 并联高值电阻，这里的并联电阻阻值相当大，所以断 开时 PIN 管可以简单地等效为一个电容； 加正压时， PIN 管等效为一个小电阻。
Southeast University，Nanjing 210096，China）
Abstract： The simulated and experimental results of a tunable microstrip rectangular ring bandpass filter are presented in this paper． A meander path is loaded in the rectangular ring resonator for achieving different resonator lengths by using the ON or OFF state of PIN diode and then switch the passband from 2． 5GHz to 5． 2GHz． When the PIN switch turns to ON state，which is equivalent to a resistance，the bandpass filter has a center frequency of 5． 2GHz，with a passband bandwidth of 1． 2GHz and an insertion loss of 1． 08dB． When the switch turns to OFF state，which is equivalent to a capacitance，the filter works in the center frequency of 2． 5GHz，with a passband bandwidth of 10MHz and an insertion loss of 1． 99dB．
图 6 开关导通和断开时滤波器频率响应
比较图 6 的仿真和测试结果可知，频率响应波 形基本吻合。开关导通时，滤波器工作在高频段； 开 关断开时，滤波器切换到低频段工作，此时通带呈现 窄带特性。实测中心频率比仿真结果偏低主要是因 为开关加载在谐振环中，其外封装以及等效结果都 会对实际谐振长度有一定的影响，另外偏置电路的 电感以及隔直电容都直接连接在谐振环路上，都会 使得谐振频率产生一定的偏移。
* 收稿日期： 2010-11-09； 修回日期： 2011-01-13 基金项目： 国家自然科学基金委创新群体基金（ 60921063）
微波学报
础上实际制作了滤波器电路，给出了仿真和实测结 果，两者比较一致。
1 PIN 开关特性
为了较好地实现滤波器的电调特性，PIN 开关 的导通断开特性就显得尤为重要。PIN 管开关的等 效电路模型如图 1 所示［4］，鉴于实际仿真电路的需 要，这样的等效电路显得有些复杂，同时其中的寄生 参数因为开关的制作工艺而有所不同，难以获得比 较准确的值。
当开关导通时，PIN 管等效为一个小电阻，相当 于在环形缝隙处接合了同等长度的微带线，此时的滤 波器近似为一个完整的矩形环，射频信号通过外部环 路实现在高频处的谐振，此时通带中心频率由外围矩 形环的平均周长来决定。当开关断开时，PIN 管等效 为一个小电容，同内环的隔直电容相比，环形加载开 关部位相当于被断开，起到了阻隔交流信号的作用， 射频信号会经由内部路径传输。这样微波信号的谐 振长度变长，从而实现了中心频率的下移。
摘 要： 给出了一种可调微带矩形环带通滤波器的仿真和实验结果。在微带矩形环谐振器内加载折线路径，利用 PIN 管的导通断开状态获得不同的谐振长度，从而实现在 2． 5GHz 和 5． 2GHz 两个频段上带通滤波器的电控切换。PIN 管开 关正向导通时，在电路中等效于一个电阻，带通滤波器工作的中心频率为 5． 2GHz，带宽 1． 2GHz，插入损耗 1． 08dB； 开关断开 时，在电路中等效于一个电容，滤波器通带工作频率约为 2． 5GHz，带宽 10MHz，插入损耗为 1． 99dB。
图 3 PIN 开关正向导通和反向断开仿真及测试对比图
2 可调滤波器设计
可调微带矩形环滤波器结构如图 4 所示，它由 PIN 管开关加载的矩形环和两条折线路径组成。两 条折线路径加载在微带环的中部，构成信号的另外 一条通路。当 PIN 开关断开的时候，射频信号沿内 部折线路径 传 输，谐 振 长 度 长，滤 波 器 工 作 在 低 频 段； 当 PIN 开关导通的时候，射频信号通过外部环 路，谐振长度变短，滤波器工作在高频段。
Key words： microstrip，tunable filter，rectangular ring，PIN switch
引言
在 6GHz 以下的黄金频段，已存在各种制式的 移动通信系统 （ 如 GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA） 、无线局域网（ WLAN） 等，因此支持多种制式无 线通信的多频多模射频技术成为研究和应用热点。 滤波器作为射频收发信机的一个重要元件，承担着 频率选择或者频率抑制的作用。若在多频多模射频 收发信机中采用多个滤波器，则不但成本高而且也 不利于小型化。因此，可调或频率可控带通滤波器 就成为解决以上问题的有效手段。
利用 PIN 管实现频率可调的滤波器［4-7］，其插入 损耗主要来源于谐振器的金属损耗和 PIN 管的电阻 损耗，这样就会导致滤波器插入损耗偏大。本文研制 的滤波器实测插入损耗≤2dB，优于报道的结果。
4 结论
本文从 PIN 二极管的等效电路模型入手，结合 59
微波学报
2011 年 8 月
矩形环形谐振器的结构特征，给出了一种双频段可 调带通滤波器的原理、仿真和实验结果。当 PIN 开 关正向导通时，在电路中等效于一个电阻，带通滤波 器工作在 5． 2GHz，带宽 1． 2GHz，插入损耗 1． 08dB； 当开关反向断开时，在电路中等效于一个电容，滤波 器通带中心频率为 2． 5GHz，带宽 10MHz，插入损耗 1． 99dB。同文献［4-7］的工作相比，本文滤波器结 构紧凑新颖、体积小、带内插入损耗小，有望在多频 多模射频电路中得到应用。
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图 4 可调矩形环形滤波器结构图
微带环形谐振器在滤波器的应用中有很多优 点。首先，同一频段微带环形谐振器所需面积较小， 有利于小型化［8-9］； 其次，微带环形谐振器存在较大
第 27 卷第 4 期
姚 兰等： 可调微带矩形环带通滤波器
的改造空间，容易实现可调； 再者，可调节变量多，易 于利用多变量组合实现特定的频率选择功能。本文 给出的微带矩形环滤波器就是在方环谐振器的基础 上加以改进实现的，考虑到 PIN 开关的偏置电路和 环形电路的闭合特性，需要在内环通路上加载隔直 电容，防止电路的短路。
PIN 开关技术发展成熟，馈电电路简单，实现容 易，在现代通信领域有着广泛的应用。文献［4-7］的 工作就是利用 PIN 开关的导通和断开特性实现带通 和带阻滤波器中心频率的切换。
本文在微带矩形环谐振器［8-9］的基础上，设计了 一种加载折叠路径和 PIN 开关的可调带通滤波器结 构 ，通过切换开关的两种状态来控制微波信号的传 输路径，从而改变谐振长度，获得不同的谐振频率， 实现滤波器带通频段的控制。本文在理论分析的基
图 2 PIN 管开关的简化等效电路
图 3 给出了 PIN 管开关的实际测试和等效仿 真结果，鉴于本文选用开关的工作频段（ 1 ～ 6GHz） ， 在 1 ～ 5GHz 频段上仿真和测试结果呈现较高的吻 合度，这在一定程度上验证了图 2 等效电路的正确 性，但是随着频率的增加，仿真和测试结果出现了较
的传输将不受直流信号的影响。同时，偏置网络中 串联了一个 220Ω 电阻来限制开关上的电流，开关 的正向偏置电压为 3V，反向偏置电压为 － 10V。
PIN 管在仿真中等效为集总元件模型，在开关 处于导通状态时，二极管在电路中等效为一个连接 直流正负极的 2Ω 电阻； 在开关反向断开时，PIN 管 等效为同一固定区域的 0． 15pF 电容。在此等效电 路的基础上，分别就两个频段应用 HFSS 软件进行 仿真，同时利用安捷伦 PNA － X N5242 网络分析仪 对滤波器实物进行测试，仿真测试结果如图 6 所示。
关键词： 微带线，可调滤波器，矩形环，PIN 开关
Tunable Microstrip Rectangular Ring Bandpass Filter
YAO Lan，HONG Wei，WU Ke （ State Key Laboratory of Millimeter Waves，School of Information Science and Engineering，
表 1 可调微带矩形环带通滤波器尺寸
a / mm b / mm det / mm det1 / mm s / mm w3 / mm w6 / mm
18 9
2
0． 1 0． 1 0． 8
1． 5
图 Leabharlann Baidu 可调滤波器实物照片
制作滤波器的基片是 Rogers5880 微波介质基 片，相对介电常数为 2． 2，厚度 0． 508mm，加载的开 关是 SMP1345 － 079 型 PIN 二极管。实物图中的直 流偏置网络包含一组封装电感，该电感一方面为开 关提供直流偏置，另一方面又阻隔了射频信号的溢 出，在工作频段提供了很好的隔离度，因此射频信号
利用简单微带传输线（ 如图 2 （ a） 所示） ，测试 得到 PIN 管正向导通和反向断开时的 S 参数，结合 上述分析的等效模型，近似等效得到与测试的 S 参 数相匹配的电容值和电阻值，并在电路结构中仿真 出 PIN 开关的等效 S 参数图。在 1 ～ 8GHz 的射频 范围内，PIN 管在正向导通时等效为 2Ω 的电阻（ 如 图 2 （ b） 所示） ，反向断开时等效为 0． 15pF 的电容 （ 如图 2（ c） 所示） 。
第 27 卷第 4 期 2011 年 8 月
微波学报
JOURNAL OF MICROWAVES
文章编号： 1005-6122（ 2011） 04-0057-04
可调微带矩形环带通滤波器*
Vol． 27 No． 4 Aug． 2011
姚兰洪伟吴柯
（ 东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室，南京 210096）
3 可调滤波器仿真和测试结果
现代无线通信系统发展迅速，各种无线标准应 运而生。IEEE 802． 11 和 IEEE 802． 16 系列标准作 为两类主流的无线网络规范，2． 5GHz 和 5． 2GHz 是 其中重要的两个工作频段，越来越多的通信系统寻 求在这两个频段上的兼容。
在以上理论分析的基础上，本文设计了在中心 频率 2． 5GHz /5． 2GHz 可切换的带通滤波器，实现高 频段宽带传输和低频段窄带传输的特性，实际制作 的滤波器尺寸见表 1，图片如图 5 所示。
目前，大多数可调滤波器主要依靠机械调节或 者是利用可调元件实现电调节，其中电可调元件由 于其性能上的优势受到越来越多研究者的关注。各 种类型的可调元件在应用中呈现出不同的电特性： 基于 MEMS 元件的可调滤波器［1］具有较低的插入
损耗，但受到切换次数的限制； 基于变容管的可调滤 波器［2］具有 调 节 速 度 快、结 构 紧 凑、易 于 集 成 等 优 点，但其品质因数较低，功耗较大； 基于铁电材料的 可调滤波 器［3］ 有 较 快 的 调 节 速 度 和 较 高 的 品 质 因 数，但体积较大，小型化困难，线性度也不高； 基于 PIN 管的可调滤波器［4-7］具有较低的插入损耗，线性 度好，功耗也比较低。