电调滤波器研究概述 -...

2012-5-24 dvanceddvanced EMC GroupEMC Group

电调滤波器研究概述电调滤波器研究概述

报告人：吴边

2012年5月


1 研究背景

2 发展现状

3 仿真研究

4 实验研究

5 下步方向

目录


各种新兴的无线通信平台例如GPS、3G、WLAN、UWB等不断涌现，需要在有限频谱范围

内实现多种信号传输

现代无线通信系统的发展日益受到频谱资源紧缺等问题的制约

多频、扩跳频和动态频率分配等频谱技术的应用，希望射频器件尤其是滤波器能满足快速电调或可重构的需要

一、研究背景


典型无线通信系统平台

Radio/TV广播电视系统 2G/3G移动通信系统

WLAN无线局域网系统 UWB超宽带系统


军事通信领域：采用电控机械调谐滤波器或可选滤波器组, 满足大功率和低损耗，但适应快速跳频体制的电调或可重构滤波器技术还不成熟；

民用领域：商业应用起步较晚，主要由于材料工

艺、体积重量以及损耗隔离等性能指标与国外尚有明显差距。


电调滤波器一般通过不同的直流偏置控制电子

开关的选通或变容二极管的容值，改变滤波器的元件特性与阻抗效应，获得不同的谐振频率和工作带宽，从而实现滤波器的结构重组和频率调谐。电调微波滤波器满足自适应预选频和多信道传输，提升了无线通信系统的容量，已得到越来越多的关注和研究。

电调滤波器=有源器件+无源滤波器

常用有源器件：PIN开关、变容二极管，射频微机电系统(MEMS)


可调滤波器分类

可调滤波器

机械调谐

电调谐

手调

电控

磁调谐

功率容量大，Q值高，插损低

调谐速度快，插损低

变容管PIN开关

铁氧体

调谐频带宽、线性好、可靠性高

YIG

MEMS


二、研究现状

K&L 2~32M分段“电调”

K&L V/UHF“电调”

（1）电控机械调谐方案

实现方式：步进电机+旋片电容；电机+伸缩螺杆

特点：秒级，小损耗，连续可调

同轴腔“电调” 波导腔“电调”


实现形式：单刀多掷开关+滤波器组

（2）滤波器组开关控制方案

特点：调谐速度快，损耗小，功率容量大，体积庞大


（3）变容管电压控制方案

实现形式：变容二极管+偏置电路+微带谐振器

特点：频率（带宽）连续可调，多级扩展，损耗大


（4）PIN开关控制方案

实现形式：PIN开关+直流偏置+微带谐振器

特点：通带选通或断开，状态组合，损耗适中

开路枝节

短路枝节


（5）MEMS开关控制方案

实现形式：MEMS开关电容+集总电感电容谐振器

特点：频率带宽离散可调，数字控制复杂


实现形式：MEMS开关电容+微带谐振器

特点：频率带宽离散可调，数字控制复杂


4~6G0.85~1.75G 1.6~2.4G


（6）开关延迟线方案

特点：

开关元件用于耦合部分

并联延迟线相位关系定谐振

低损耗，线性，宽调谐范围

无需大量滤波器组

实现形式：3dB功分+延迟线+多点开关+开路耦合线

0)12( ω−n 02 ωn


（7）压电转换方案

3.76~5.17G实现形式：压电转换+微带/介质谐振器

特点：频率连续可调，微调


看作对称双端口网络，Y和S矩阵

三、仿真研究

传输零点由得到两个可能解谐振条件


MLINID=AW=wu mmL=lu1 mm

MLINID=A1W=wu mmL=lu1 mm

MLINID=BW=wd mmL=ld mm

MLINID=B1W=wd mmL=ld mm

W W

1 2

3 4

MCLINID=TL3W=wu mmS=s mmL=lu2 mm

CAPID=C3C=Cm pF

CAPID=C4C=Cm pF

CAPID=C5C=C1 pF

CAPID=C6C=C1 pF

CAPID=C7C=C2 pF

CAPID=C8C=C2 pF

MSUBEr=2.55H=0.8 mmT=0.015 mmRho=1Tand=0ErNom=2.2Name=SUB1

CAPID=C1C=Cdc pF

CAPID=C2C=Cdc pF

PORTP=1Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

wd=2.7 ld=12.2wu=1Cm=6.6

lu1=8.82 lu2=8.57s=0.6

Cdc=1e7C1=1.91 C2=2.39

（1）MWO电路级仿真

微带传输线+集总元件

基板设置变量设置


0.5 1 1.5 2 2.5Frequency (GHz)

Graph 1

-150

-100

-50

0

1.945 GHz-0.4738 dB

1.773 GHz-0.3822 dB

1.551 GHz-0.3419 dB

1.387 GHz-0.3386 dB

DB(|S(2,1)|)201102MWCL74

DB(|S(2,1)|)201102MWCL74case2

DB(|S(2,1)|)201102MWCL74case3

DB(|S(2,1)|)201102MWCL74case4

0.5 1 1.5 2 2.5Frequency (GHz)

Graph 2

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

DB(|S(1,1)|)201102MWCL74

DB(|S(1,1)|)201102MWCL74case2

DB(|S(1,1)|)201102MWCL74case3

DB(|S(1,1)|)201102MWCL74case4

通过不同C1和C2的组合实现频率可调

比单个变容管好实现带内效果不变


VARVAR1

lu2=8.16 {t}lu1=6.3 {t}ld=13.2 {t}Cm=7.69 {t}C2=2.2212 {t}C1=1.0584 {t}

EqnVar

S_ParamSP1

Step=0.0065 GHzStop=2.5 GHzStart=0.5 GHz

S-PARAMETERS

MLINTL1

L=lu1 mmW=1mmSubst="MSub1"

MLINTL2

L=lu1 mmW=1mmSubst="MSub1"

MLINTL4

L=ld mmW=2.7 mmSubst="MSub1"

MLINTL3

L=ld mmW=2.7 mmSubst="MSub1"

MSUBMSub1

Rough=0 mmTanD=0T=0.015 mmHu=1.0e+033 mmCond=1.0E+50Mur=1Er=2.55H=0.8 mm

MSub

CC6C=Cm pF

CC2C=C1 pF

CC1C=C1 pF

CC8C=10000000 pF

CC7C=10000000 pF

TermTerm2

Z=50 OhmNum=2

TermTerm1

Z=50 OhmNum=1

CC4C=Cm pF

MCLINCLin1

L=lu2 mmS=0.6 mmW=1mmSubst="MSub1"

CC5C=C2 pF

CC3C=C2 pF

（2）ADS电路级仿真

扫频设置

变量设置

基板设置

微带传输线+集总元件


m1freq=dB(S(2,1))=-4.392E-4Max

2.010GHz

m2freq=dB(S(2,1))=-87.258Valley

960.0MHzm3freq=dB(S(2,1))=-42.200Valley

2.500GHz

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.40.4 2.6

-80

-60

-40

-20

-100

0

freq, GHz

dB(S

(2,1

))

m1

m2

m3

dB(S

(1,1

)) m1freq=dB(S(2,1))=-4.392E-4Max

2.010GHz



2.500GHz

m1freq=dB(S(2,1))=-4.074E-6Max

1.530GHz



2.195GHz

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.40.4 2.6

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

-160

0

freq, GHz

dB(S

(2,1

))

m1

m2

m3

dB(S

(1,1

)) m1freq=dB(S(2,1))=-4.074E-6Max

1.530GHz



2.195GHz

f0=1.53G f0=2.01G

C1= 1.338 pF

C2=2.67 pF

C1= 0.672 pF

C2=1.4 pF


SMV1405 Datasheet


（3）HFSS结构级仿真

集总元件

模拟PIN开关，导通为小

电阻，断开为大电容

D1 D2

D3D4


All on D1 D2 on

D3 D4 on


（4）IE3D+ADS联合仿真

1C1W

2W

g

1L

chokeL 2L

3L

1CchokeL

IE3D

微带谐振器

+

集总多端口

ADS

SnP网络

+

集总元件


设计实例1：可调范围在780MHz~950MHz，相对带宽9%，带外抑制大于25dB的谐波抑制可调滤波器。

1C1W

2Wg1L

chokeL

2L

3L

1C

2C2CR

RchokeL

portL

portL

四、实验研究

实现方式：微带开口环+变容二极管+偏置电路

隔直电容

高频扼流圈

SMV1233变容管

（Skyworks公司）


0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4

-50

-40

-30

-20

-10

0

|S21

|(dB

)

Frequency (GHz)

3V 4V 5V 7V 9V 13V

0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

|S21

|(dB

)

Frequency(GHz)

3V 4V 5V 7V 9V 13V

IE3D+ADS联合仿真结果实测结果

带外谐波抑制大于25dB，3dB相对带宽11%左右

插入损耗在2dB~3.5dB之间


设计实例2：基模中心频950MHz，带宽80MHz，第二通带在

1390~1550MHz之间连续可调。

实现方式：枝节加载微带开口环+变容二极管+偏置电路

1C1W

2W

g

1L

chokeL 2L

3L

1CchokeL


0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

|S21

(dB

)|

Frequency (GHz)

2V 2.5V 3V 4V 5V

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

|S21

(dB

)|

Frequency(GHz)

1V 2V 2.5V 3V 4V 5V


第一通带中心频率970MHz，插耗<1dB，3dB带宽90MHz

第二通带随着偏压从2V到5V，中心频率从1460MHz变到1620MHz,插入损耗在2.5dB到3.5dB之间


bL

bR

bL

bR

1g

2g

1a2a

3a4a

5a

l

6a

1W

2W1b 2b

设计实例3：第二频带2.23G，第一频带1.25G到1.75G连续500M可

调，同时第一通带保持100M绝对带宽不变。

实现方式：微带折叠方环+变容二极管微扰+偏置电路

SMV1139 变容管（SKYWORKS公司）保护电阻

扼流电感


0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0V / 8pFS21

(dB

)

Frequency(GHz)

12V / 3pF

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

S21

(dB)

Frequency(GHz)

18 V

0 V


仿真的第二谐振频点为2.23G，第一谐振频点的调节范围为1.25-1.75G

实测第二谐振频点吻合较好，第一谐振点的调节范围为1-1.5G ，频率偏差250M(ADS模型、寄生电容、变容管)，第一通带损耗达5-7dB

高Q值变容管: 如GaAs变容管、 MEMS 变容管


（1）交叉耦合滤波器的电调技术

（2）双模滤波器的电调技术

（3）超宽带滤波器的电调技术

（4）高Q值低损耗滤波器电调技术

（5）腔体滤波器电调技术

五、下步方向


谢谢！

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