变容管调谐微带低通滤波器：91.3%调谐范围与超宽阻带抑制

本文提出一种截止频率调谐范围大、阻带超宽、结构紧凑的变容管调谐微带低通滤波器（LPF）。该滤波器采用一对平行耦合线与一端加载变容管的低阻抗短截线，成功实现截止频率电调功能。同时引入径向贴片谐振器与阶梯阻抗谐振器，确保滤波器在所有调谐状态下均具备超宽阻带特性。本文完成了该变容管调谐微带低通滤波器的设计、制作与测试。测试结果表明，该滤波器截止频率调谐范围达 91.3%（0.85~2.28 GHz），阻带可延伸至 20 GHz。

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引言

电子可调微波滤波器可适配不同频段与带宽，在多频段无线通信与宽带雷达系统中需求持续增长，受到广泛关注 [1]。其中，大调谐范围、宽阻带、小型化、陡峭截止的可调低通滤波器，是现代可重构无线系统的核心器件之一。然而，目前已报道的可调低通滤波器设计较少。因此，研发此类可调低通滤波器具有重要的理论与工程价值。

早期相关研究中，Tombak 等人采用钛酸锶钡可调电容设计了集总参数可调低通滤波器 [2]，其截止频率调谐范围为 34%，通带插入损耗小于 2 dB，但通带回波损耗与滚降特性欠佳。Ni 与 Hong 级联多个阶梯阻抗发夹谐振器，研制出变容管调谐低通滤波器，实现大截止频率调谐范围与陡峭滚降特性 [3]，但难以抑制高次谐波。Huang 等人在共面波导传输线中采用串联短路短截线与并联开路短截线，提出一种变容管调谐低通滤波器 [4]，调谐范围达 65%，但电路尺寸较大。文献 [5] 提出一种基于耦合结构的紧凑型可调低通滤波器，通过两个变容管连接耦合线改变模式阻抗，实现截止频率调谐与宽带外抑制，但其变容管内嵌于介质中，设计流程复杂。

本文旨在设计一款结构紧凑、截止频率调谐范围大、阻带超宽的新型可调低通滤波器。采用图 1 虚线框所示的变容管调谐谐振器实现截止频率调谐，结合径向贴片谐振器与阶梯阻抗谐振器（SIR）实现宽带外抑制。最后通过仿真与测试验证设计方法的有效性。

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宽阻带低通滤波器设计

图 1a 为所设计可调低通滤波器的版图结构。

图1a

该滤波器主要由三部分构成：

1. 变容管调谐谐振器：包含一对平行耦合线与一端开路并加载变容管的低阻抗短截线；
2. 并联径向贴片；
3. 主传输线上加载的阶梯阻抗谐振器。

图1a中，$C_d$ 为隔直电容，$R_d$ 为直流偏置电阻。

图1b

图 1b 为该可调低通滤波器的集总参数等效电路。电路中，$L$ 主要表征高阻抗传输线的电感；$C$ 为低阻抗短截线与地之间的耦合电容；$C_V$ 为变容管的可变电容；$C_2$ 为径向贴片与地之间的耦合电容；$C_1$ 主要表征阶梯阻抗谐振器低阻抗段与地之间的耦合电容；$L_1$ 主要表征阶梯阻抗谐振器高阻抗段的电感效应。

图2a

图 2a 给出图 1 虚线框内变容管调谐谐振器在不同反向偏置电压下的频率响应。可见，滤波器截止频率随变容管 D 反向偏置电压降低而下降；偏置电压由 0 V 升至 8 V 时，第一杂散通带中心频率由 4 GHz 提升至 7 GHz，第二谐波基本稳定在 16.5 GHz 附近。

图2b

为抑制无用频率响应、实现超宽阻带，本文逐步引入径向贴片谐振器与阶梯阻抗谐振器。由图 2b 可知，加载对称径向贴片谐振器可在全调谐范围内抑制第一谐波；引入阶梯阻抗谐振器可显著抑制第二谐波。图 2c 为集成变容管调谐谐振器、径向贴片与阶梯阻抗谐振器的滤波器频率响应。

图2c

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滤波器实现与测试

所提可调低通滤波器采用 Rogers 4003C 基板设计，相对介电常数 3.38，厚度 0.508 mm。结构参数如下：
$L_1 = 3\,\text{mm}$，$W_1 = 5\,\text{mm}$，$L_2 = 3.6\,\text{mm}$，$W_2 = 1.1\,\text{mm}$，$L_3 = 1.45\,\text{mm}$，$W_3 = 2.1\,\text{mm}$，$L_4 = 3.6\,\text{mm}$，$W_4 = 0.1\,\text{mm}$，$L_s = 1.9\,\text{mm}$，$W_5 = 0.2\,\text{mm}$，$L_6 = 4\,\text{mm}$，$\theta = 96^\circ$。

变容管选用 SMV-1247-079LF，偏置电压 0~8 V 时，电容变化范围 0.64~8.86 pF；500 MHz、3 V 偏置下品质因数 $Q = 67.4$。旁路电容采用村田 0402GRM 5 pF 电容；偏置网络采用松下电阻降低射频信号泄漏。

仿真采用电磁仿真软件 ADS 2009 与 ANSYS HFSS 完成，变容管 SPICE 模型由 Skyworks 提供 [6]。测试使用 安捷伦 8722ES 网络分析仪。图 3a~c 为典型调谐状态下仿真与测试结果对比；图 3d 为 0~10 GHz 内不同电压下 $S_{21}$ 测试曲线。

图3

测试结果表明：偏置电压 $V$ 由 0 V 升至 8 V 时，3 dB 截止频率由 0.85 GHz 调至 2.28 GHz，调谐范围 91.3%；滤波器滚降特性陡峭，全调谐范围内阻带延伸至 20 GHz；所有状态下通带回波损耗优于 10 dB。部分状态下仿真与测试结果存在小幅偏差，主要源于变容管 SPICE 模型精度与加工公差。图 4 为制作完成的滤波器实物照片。

图4

表 1 为本文滤波器与已有文献可调低通滤波器的性能对比。结果显示，所提滤波器在调谐范围、尺寸紧凑度、阻带宽度方面均为最优，且所用调谐器件数量最少。

表1

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结论

本文提出一种新型微带可调低通滤波器，制作样机的 3 dB 截止频率可在 0.85~2.28 GHz 范围内连续调谐。该滤波器具备结构紧凑、调谐范围大、阻带超宽等优势，可广泛应用于现代无线通信系统。对于微波滤波器设计者，云栈社区提供丰富的技术文档与设计资源，有助于加速工程实现与知识共享。

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参考文献

1. Hong, J.-S.: ‘Reconfigurable planar filters’, IEEE Microw. Mag., 2009, 10, (6), pp. 73–83  
2. Tombak, A., Maria, J.-P., Ayguavives, F.T., Jin, Z., Stauf, G.T., Kingon, A.I., and Mortazawi, A.: ‘Voltage-controlled RF filters employing thin-film barium–strontium–titanate tunable capacitors’, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2003, 51, (2), pp. 462–467  
3. Ni, J., and Hong, J.-S.: ‘Compact continuously tunable microstrip low-pass filter’, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2013, 61, (5), pp. 1793–1799  
4. Huang, C.-C., Chen, N.-W., Tsai, H.-J., and Chen, J.-Y.: ‘A coplanar waveguide bandwidth-tunable lowpass filter with broadband rejection’, IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2013, 20, (3), pp. 134–136  
5. Abbosh, A.: ‘Compact tunable low-pass filter using variable mode impedance of coupled structure’, IET Microw. Antennas Propag., 2013, 6, (12), pp. 1306–1310  
6. Skyworks SMV1247-079LF Data Sheet, Skyworks Solutions, Sunnyvale, CA, USA