0 引言

随着通信技术的飞快发展，现在人们对电子电路的集成度、可靠性、体积大小等方面要求越来越高，而通信标准的制式也越来越多，如3G标准的CDMA、WCDMA和目前4G标准的TD-LTE、FDD-LTE以及无线局域网WLAN等，而随着5G的出现和推广，频谱占用越来越密集，不同带宽和不同中心频率的滤波器成为新的研究内容^[1-2]。

在实际民用无线通信中，双频段和多频段应用都较为广泛。对于传统的频率确定的滤波器，要达到多频段的选择性，需要两个或两个以上的滤波器进行级联，这样的组合不仅使得收发射频端体积增大，还会增大插入损耗使得滤波器的选频效果变差，同时还会增加功率损失和制作成本，由此研究学者们展开了对重构滤波器的研究^[3]。本文重点研究微带线双模谐振器，设计实现了新型双通带滤波器，在L频段和S频段实现频率可重构。

1 可重构技术

可重构滤波器自出现以来，相关技术一直在发展。以前滤波器采用机械可调的方法^[4]，此种方法虽然可调范围较大，但调谐速度过慢且实现体积较大。此后出现的磁调谐可分为铁氧体类和YIG类的磁调谐滤波器^[5]，该类可调滤波器调谐频带宽，线性好，但成本太高，调谐时间长，而电可重构技术的出现解决了此类问题，采用外加电流或电压的方式控制有源器件的方式，实现调谐便捷调谐时间短的要求。电调谐的方法一般有射频微机电系统（RF MEMS）^[6]，PIN开关二极管^[7]及其他功能性调谐原件^[9]，此类可重构方法也有一定缺陷因为引入调谐器件，加电实现的同时会引入偏置电路使得滤波器体积增大损耗增大。

采用变容二极管^[8]作为可重构器件，调谐速度快且易实现，同时加入电容减小了谐振长度缩小了滤波器尺寸。因此本文采用变容二极管调谐，外加反向偏压改变电容值，通过分析变容管容值对谐振长度的影响，选用合适变容管及谐振器尤为重要。

2 E型双模谐振器

通过上节的分析，在本文研究的滤波器中采用E型双模谐振器。此谐振器是由两段相同的开路枝节和一段短路枝节构成，本文采用均匀阻抗谐振器，其中短路枝节的阻抗与开路枝节相同，结构如图1。

2.1 特征分析

由于E型双模谐振器中的介质是均匀的且结构对称，对于主模TEM，可采用奇偶模分析法，即分别用奇模激励和偶模激励两种状态对其进行分析。奇偶模等效电路如图2所示。

在奇模激励下，相当于对称面为电壁，此时中心对称面可看作短路面，此时从等效电路一端看进去的输入阻抗为：

设Y_inodd=0，因此在奇模激励的谐振条件为：

在偶模激励下，相当于对称面为磁壁，此时中心对称面可看作开路面，此时的输入阻抗可求出为：

设Y_ineven=0，可看出在偶模激励下的谐振频率与电容c和两段微带线的电长度θ₁、θ₂有关，而

因此在微带线长度L₁，L₂一定时，改变电容c，可改变偶模谐振频率达到可重构的目的。

根据以上分析，E型双模谐振器在奇模下的谐振频率与L₁有关；在偶模激励下，谐振频率不仅与L₁、L₂有关，还与电容c有关。取阻抗Z₁=Z₂=50 Ω，由式（4）和式（5）得出电容c在L₁、L₂（L₁取4/λ_g附近）与谐振频率的关系曲线如图3，可看出当L₁、L₂一定，取合适的电容c可设计出满足L波段和S波段的双通带滤波器。

由图3知，选用合适的2～6 pF范围内的变容二极管可满足要求。本文采用Skyworks公司的SMV1413-079LF，变容比为4.2，Q值可达2 400。经过仿真，其电容-电压曲线与数据手册一致，本文设计取外部偏压为1 V、2.5 V、5 V、10 V时电容分别为6.37 pF、4.85 pF、3.77 pF、2.85 pF。

2.2 外部Q值提取

实际进行滤波器综合时，尤其是在可调滤波器范畴，滤波器终端外部Q值的提取非常重要，通过控制外部Q值可调节滤波器带宽。在带通滤波器网络中；

因此在绝对带宽恒定下，外部Q值与耦合馈线的原件值有关，本文采用的4/λ_g谐振器中间加载短路枝节串联变容二极管，谐振器长度不变，调节馈线长度及耦合缝隙即可保证绝对带宽恒定。

3 双通带可重构滤波器的实现

3.1 滤波器结构设计

上节分析了基本单元E型双模谐振器，本文采用两个基本单元相互耦合的结构实现，每个通带有两个极点。在电磁耦合的过程中，此结构会在第一通带和第二通带之间产生一个零点，增加滤波器双通带的选频作用。具体结构等效电路如图4。

此结构的馈电方式不同于以往传统的滤波器采用抽头式馈电，由于短路枝节加载变容二极管电长度会发生变化。由2.2节分析可知，采用在底部平行耦合馈电可保证外部Q值变化较小，即平行耦合馈电在窄带滤波器中应用可使绝对带宽变化较小。通过在HFSS13.0优化仿真，可达到第一通带绝对带宽恒定的特性，解决了恒定带宽同时中心频率可重构的这一难题。

3.2 仿真优化和测试

根据图4在HFSS13.0建立仿真模型，采用罗杰斯4350作为介质基板，ε_e=3.66，h=1 mm，介质损耗为0.004。经过以上分析及在仿真软件中的优化，设计具体参数如下：w₀=2.1 mm，w₁=0.5 mm，w₂=1.5 mm，l₁=20 mm，l₂=9.2 mm，l₃=7.6 mm，s₀=0.2 mm，s₁=0.9 mm，s₂=6.3 mm，偏置电路中L=27 nH，滤波器实物加工如图5，整体尺寸为31×33 mm²。

如图6，通过在HFSS13.0的仿真，双模E型谐振器实现频率可重构，第一通带变化范围为1.60 GHz～1.92 GHz，3 dB带宽60 MHz，第二通带中心频率在2.25 GHz，3 dB带宽100 MHz。根据图6的仿真结果图，带内S(2，1)在1 dB左右浮动，S(1，1)在10 V时第一通带两个极点在

-12 dB和-17 dB，所有可重构频带内S(1，1)最大在-10 dB，S(2，1)在-1.4 dB。

测试结果与仿真结果对比如图7，各项指标汇总如表1、表2。由于加入偏置电路会使S参数指标下降，从图中可看出S(1，1)基本在-10 dB，实测结果展现出滤波器良好的性能，验证了设计思路的有效性。

4 结论

随着无线通信的迅速发展，双频带阻滤波器的需求越来越广泛，对滤波器性能和尺寸的要求也越来越严格。在此背景下，本文提出一种新型的双通带频率可重构绝对带宽恒定的滤波器，讨论了可重构技术方法并进行比较，针对E型双模谐振器参数对传输特性的影响，采用的变容二极管作为可重构器件并进行建模、仿真和实物测试，设计出由两个E型谐振器通过电磁耦合构成的微带带通滤波器，仿真结果与测试结果吻合较好。该滤波器结构有效电路尺寸较小，只有0.15λ_g×0.16λ_gmm²，达到小型化的要求。该结构的带通滤波器有较好的可重构特性，从1.6 GHz到1.9 GHz的四个频带内，而且该均有较为平坦衰减较小的通带特性。

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