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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
2012-5-24 dvanceddvanced EMC GroupEMC Group
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
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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
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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
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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。
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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)
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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
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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”
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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
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(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
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(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
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(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
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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
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4~6G0.85~1.75G 1.6~2.4G
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(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
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(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
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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
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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
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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
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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
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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
m2freq=dB(S(2,1))=-87.258Valley
960.0MHzm3freq=dB(S(2,1))=-42.200Valley
2.500GHz
m1freq=dB(S(2,1))=-4.074E-6Max
1.530GHz
m2freq=dB(S(2,1))=-95.598Valley
560.0MHzm3freq=dB(S(2,1))=-155.195Valley
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
m2freq=dB(S(2,1))=-95.598Valley
560.0MHzm3freq=dB(S(2,1))=-155.195Valley
2.195GHz
f0=1.53G f0=2.01G
C1= 1.338 pF
C2=2.67 pF
C1= 0.672 pF
C2=1.4 pF
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SMV1405 Datasheet
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(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
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All on D1 D2 on
D3 D4 on
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(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
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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)
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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
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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
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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
IE3D+ADS联合仿真结果 实测结果
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
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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
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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
IE3D+ADS联合仿真结果 实测结果
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
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(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
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谢谢!