BST 變?nèi)萜鞯碾娙菘烧{(diào)諧能力可以定義為

電容可調(diào)諧能力=?(1)

其中Cmax是BST 變?nèi)萜髟?-V 偏置下的電容，Cmin?是在非零直流偏置下所獲得的電容。當直流偏置電壓的絕對值提高時，Cmin?會有所降低，這是因為BST 材料的相對介電常數(shù)是隨著所施加的電壓而減小的[42]。

一般來說，BST 變?nèi)萜骺梢栽O(shè)計成金屬-絕緣體-金屬電容器的形式，或一種叉指電容器（IDC）的形式。BST 可調(diào)諧IDC 由于其額外的對直流電壓不甚敏感的邊緣電容而具有較小的電容可調(diào)諧能力。圖11 說明了BST IDC 典型的特性[2]，當要求具有較低的電容值以及比較簡單的制造工藝時，BST 可調(diào)諧IDC 便是一個更具有吸引力的選擇。

圖11、鈦酸鍶鋇叉指電容變?nèi)萜髟?MHz 下的標稱調(diào)諧曲線（有20 個叉指，每個叉指寬為5μm，長為100 μm，叉指間距為5μm）[2]。

正如在文獻[28]中所公布的，IDC BST 變?nèi)萜魇窃趫D12（a）所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制作的。通過脈沖激光沉積法將一層0.5-μm 厚的Ba0.5Sr0.5TiO3?（BST）薄膜沉積到一個（001）MgO 基片上（厚度為0.5-mm），在有氧環(huán)境下（0.1mbar）采用具有1.5Jcm-2?的激光以5Hz 的注入脈沖速度進行沉積[42]。所制成的BST 材料在電場強度從3.5 變化到0V/μm 時，相對介電常數(shù)從700 變化到1,200，所測得的BST 薄膜的介電損耗tanδ 在10MHz 下從0.1 變化到0.2。

圖12（b）展示了具有六個叉指的IDC，這是文獻[28]中所開發(fā)的BST 變?nèi)萜鞯幕締卧?。彼此間距為10μm 的叉指為220-μm 長，10-μm寬。這個基本BST 變?nèi)萜鲉卧?-V 偏置下的Cmax=0.56pF，在35-V 偏置下的Cmin=0.4pF，根據(jù)式（1），它在給定的直流偏置電壓范圍中的電容可調(diào)能力為28.6%。為了實際應(yīng)用起見，人們制作了一個大的BST 變?nèi)萜餍酒?，這個芯片可以很容易地附著在傳統(tǒng)的微波電路板上。其尺寸為5×5mm2，含有三個并聯(lián)的BST 變?nèi)萜鲉卧?/p>

圖12、（a）在MgO 基片上所制作的鈦酸鍶鋇叉指變?nèi)萜餍酒钠拭鎸印＃╞）鈦酸鍶鋇叉指變?nèi)萜鲉卧陌鎴D（尺寸單位為mm）[資料來源于28]。

可調(diào)諧帶阻濾波器

圖13 展示了一個具有槽線接地結(jié)構(gòu)的兩極點可調(diào)諧帶阻濾波器。在接地平面上，可調(diào)諧微帶線帶阻濾波器包含兩個可調(diào)諧BST 槽線諧振器和向BST 變?nèi)萜魈峁┲绷麟妷旱钠秒娐贰?/p>

圖13、制作成的采用鈦酸鍶鋇變?nèi)萜鞯目烧{(diào)諧微帶線帶阻濾波器[28]。（a）底部和（b）頂部。

圖14 給出了可調(diào)諧微帶線帶阻濾波器的測量響應(yīng)；這個帶阻濾波工作在中心頻率為1.2-1.4GHz 處，具有100MHz 的帶寬。因此，所測得的調(diào)諧范圍是14%。

圖14、可調(diào)諧帶阻濾波器的測量結(jié)果[28]。

可重構(gòu)雙模帶通濾波器

人們可以在單?；螂p模諧振器的基礎(chǔ)上設(shè)計帶通濾波器，并且傾向于在微帶線上進行設(shè)計，因為直流偏置電路可以很容易地在微帶線上實施。雙模微帶線諧振器是很有吸引力的，因為每個雙模諧振器可以被用作雙調(diào)諧諧振電路，因此，給定了階數(shù)的濾波器所需的諧振器的數(shù)量可以減半，從而可以產(chǎn)生一個緊湊的濾波器架構(gòu)。對于一個傳統(tǒng)的雙模濾波器來說，兩種簡并的模式是通過控制一個合適的擾動而進行耦合的。環(huán)形濾波器（Circular ring filter）[43]，方形環(huán)路濾波器（Square loop filter），以及彎折環(huán)路濾波器（meander loop filter）[45]便屬于這種情況。另一方面，在文獻[46]中人們研究了一種新型的基于三角形貼片基礎(chǔ)之上的雙模諧振器濾波器，其中并未對雙模進行耦合。最近，人們已經(jīng)在一個小型的雙模微帶線開環(huán)濾波器中展示了這種獨特且有趣的特性[47]，這種諧振器是由傳統(tǒng)的單模開環(huán)諧振器演變而來的[20]。

當具有兩維對稱性的傳統(tǒng)雙模諧振器被用于雙模帶通濾波器的設(shè)計之中時，需要一些擾動來將兩種簡并的模式分開[1]。而在文獻[46]和[47]中所介紹的雙模諧振器則并不需要這個擾動，因為其兩種分別被稱為偶模和奇模的諧振模式彼此并不相互耦合。這兩種模式會在雙模濾波器中分開的頻率上工作，其耦合結(jié)構(gòu)是與傳輸?shù)碾p模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)有所不同的。圖15 展示了這種類型的一個兩極點雙模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)，其中S 和L分別代表著輸入和輸出端口；節(jié)點1 代表著奇模，節(jié)點2 代表著偶模。文獻[46]和[47]中演示了具有固定中心頻率的這種類型的濾波器。

圖15、一個兩極點雙模濾波器的耦合結(jié)構(gòu)，其中這兩個模式彼此之間是沒有耦合的[35]。

在文獻[34]-[36]中，人們同樣研究了電子可重構(gòu)雙模微帶線開環(huán)諧振器濾波器，這種濾波器發(fā)掘了在單個雙模諧振器中的兩個諧振模式之間無耦合的獨特特性。這便產(chǎn)生了一個簡單的調(diào)諧方案，因為通帶頻率的調(diào)諧僅僅通過按比例改變模態(tài)頻率便可完成。此外，對于這種類型的濾波器來說，其選擇性可以通過電子方式重新設(shè)置，從而在通帶的任何一邊都會展示出具有一個有限頻率傳輸零點的較高的選擇性。

具有兩個直流偏置的可重構(gòu)雙模濾波器

正如在文獻[34]中所討論的，圖16 所顯示的是制作成的兩極點可重構(gòu)雙模微帶線開環(huán)諧振器帶通濾波器。

圖16、制作成的具有兩個直流偏置的可重構(gòu)雙模微帶線開環(huán)諧振器帶通濾波器[34]。

這個帶通濾波器具有如圖15 所示的耦合方案。由于在兩種工作諧振模式之間不存在耦合，因此，如果奇模和偶模的諧振頻率是按比例移動的話，便可以調(diào)諧通帶的中心頻率。人們所采用的典型的可變電容在0.5pF到6.6pF 之間變化的Infineon BB857 變?nèi)萜鱽韺嵤┻@種電子調(diào)諧。為了能重構(gòu)濾波器的特性，人們采用了兩個直流偏置。第一個直流偏置電壓V1?被用來改變奇模頻率，第二個直流偏置電壓V2被用來改變偶模頻率。

測量得到的頻率響應(yīng)繪制在圖17 中，這個頻率響應(yīng)展現(xiàn)出，取決于兩個直流偏置的組合情況，人們不僅可以調(diào)諧通帶頻率，而且濾波特性也同樣可以重構(gòu)，從第一種情況下的通帶高頻一邊具有高的選擇性而改變?yōu)榈诙N情況下，通帶的低頻一邊具有高的選擇性。

圖17、具有兩個直流偏置的可重構(gòu)雙模濾波器的測量性能。（a）第一種情況。（b）第二種情況[34]。

具有單個直流偏置的可調(diào)諧雙模濾波器

通過改變雙模微帶線開環(huán)諧振器，雙模濾波器的中心頻率可以通過采用單個直流偏置來進行電子調(diào)諧。換句話說，偶模和奇模諧振頻率的改變由于使用同樣的偏置電壓而變得更為簡便。圖18（a）展示了這種可調(diào)諧濾波器的一個例子[35]。這個濾波器是在相對介電常數(shù)為10.8 且厚度為1.27mm 的基礎(chǔ)上制作的。這個濾波器上連接了三只Infineon BB857 變?nèi)萜?，這與上一種情況類似。變?nèi)萜黟伻氲氖峭瑯拥闹绷髌秒妷骸D18（b）展現(xiàn)出當直流偏置電壓從8.1V 變化到25V 時所測得的頻率響應(yīng)。這個濾波器在通帶的高端處展現(xiàn)了一個有限頻率的傳輸零點，其中心頻率的調(diào)諧范圍是100MHz，在825 到925MHz 之間。在這種情況下，在濾波器進行調(diào)諧時，偶模頻率總是高于奇模頻率[46]。

圖18、（a）制作成的采用單個直流偏置，在通帶高端處含有一個有限頻率傳輸零點的可調(diào)諧雙模濾波器。（b）所測得的頻率響應(yīng)[35]。（ 圖片版權(quán)European Microwave Association，EuMA。經(jīng)許可使用。）

人們還可以采用另一種修改方案，文獻[35]便展示了用單個直流偏置進行調(diào)諧，在通帶的低端處具有一個有限頻率的傳輸零點的可調(diào)諧雙模濾波器。

可調(diào)諧四極點雙模濾波器

可以將兩個或多個雙模，開環(huán)諧振器進行級聯(lián)來構(gòu)建一個具有較高階數(shù)的可調(diào)諧濾波器。例如，圖19 顯示了一個制作成的這種類型的四極點可調(diào)諧濾波器[36]。每個雙模開環(huán)諧振器加載了三個Infineon BB857 變?nèi)萜鳌Ｕ麄€濾波器是用單個直流偏置電路來調(diào)諧的。直流偏置在10.6V 到34.0V 的范圍內(nèi)變化時的測量結(jié)果繪制在圖20 中，并與加載了不同的變?nèi)萜麟娙葜档姆抡娼Y(jié)果進行了比較。

圖19、制作成的四極點可調(diào)諧雙模濾波器[36]。（圖片版權(quán)European Microwave Association，EuMA。經(jīng)許可使用。）

圖20 展示了實驗用四極點可調(diào)諧帶通濾波器在通帶的每一邊都具有一個有限頻率傳輸零點的準橢圓函數(shù)響應(yīng)。接近于通帶低端處的傳輸零點是與第一個雙模諧振器所固有的偶模相關(guān)聯(lián)的，而靠近通帶高端處的傳輸零點則是與第二個雙模諧振器的偶模相關(guān)聯(lián)的。因此，當偶模頻率被調(diào)諧時，相關(guān)的傳輸零點也會作出相應(yīng)的移動。對于給定的直流偏置電壓范圍，人們可以在0.86-0.96GHz 的調(diào)諧范圍內(nèi)對濾波器進行調(diào)諧。

圖20、測量得到的可調(diào)諧濾波器的性能與仿真結(jié)果的比較。（a）S21 和（b）S11 [36]。

結(jié)論

本文介紹了若干種電子可重構(gòu)或可調(diào)諧微帶線濾波器。通過采用不同的電子控制技術(shù)，包括射頻微機電系統(tǒng)和鐵電體，梳狀濾波器結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地用來開發(fā)可調(diào)諧或可重構(gòu)濾波器，雖然這類濾波器的帶寬通常都很小。本文所展示的UWB 濾波器采用的是p-i-n 二極管，但人們還實施了其它可切換元件，如金屬半導體場效應(yīng)管（MESFET）開關(guān)。MESFET 開關(guān)具有較低的直流功耗，但都有較大的非線性失真。人們同樣還可以考慮使用射頻微機電系統(tǒng)[13]-[14]或PET[18]。

BST 變?nèi)萜饕驯挥糜诰哂胁劬€接地結(jié)構(gòu)的電調(diào)微帶線帶阻濾波器中。這些結(jié)構(gòu)可以很方便地實施調(diào)諧元件和直流偏置電路，使之與基片另一面的主要射頻信號路徑具有更好的隔離性。鐵電體薄膜調(diào)諧器件，如BST 變?nèi)萜髟谳^高頻率應(yīng)用中是很有吸引力的，雖然其損耗需要被減到最小程度。

我們已經(jīng)展示出一個可以通過控制奇模和偶模的諧振頻率這種簡單方式來調(diào)諧或者說進行電子重構(gòu)的雙模微帶線開環(huán)諧振器濾波器，因為這兩種操作模式彼此之間不存在耦合。

除了半導體變?nèi)萜魍?，人們還實施了其它類型的變?nèi)萜骱图夹g(shù)，如鐵電體薄膜和射頻微機電系統(tǒng)變?nèi)萜?。一個類似的調(diào)諧技術(shù)可以被應(yīng)用于較高階數(shù)的濾波器中，在一個具有準橢圓函數(shù)響應(yīng)的電調(diào)四極點雙模微帶線開環(huán)諧振器濾波器中已經(jīng)演示了這種技術(shù)。通過選擇合適的變?nèi)荻O管并且合理地設(shè)計輸入和輸出饋電結(jié)構(gòu)，便可以提高頻率調(diào)諧范圍。采用額外的調(diào)諧元件來控制輸入和輸出耦合，對濾波器帶寬進行調(diào)諧也同樣是可行的。

總的來說，帶寬的調(diào)諧或控制比頻率的調(diào)諧更加具有挑戰(zhàn)性，具有較大帶寬的電調(diào)濾波器的設(shè)計就調(diào)諧范圍和帶寬控制來說比窄帶寬的更加困難。文獻[48]-[51]中報道了一些在可調(diào)諧濾波器中進行帶寬控制的技術(shù)。

電子可重構(gòu)濾波器的非線性行為非常依賴于所使用的調(diào)諧元件。采用射頻微機電系統(tǒng)和PET 通常會產(chǎn)生一個較好的線性特性。可重構(gòu)濾波器設(shè)計中的創(chuàng)新同樣可以改善性能并且能增加功能。調(diào)諧元件相對較低的Q 值會限制較高階數(shù)和窄帶可調(diào)諧濾波器的實施。這是因為，對于給定Q 值的調(diào)諧元件和其它與電路相關(guān)聯(lián)的損耗來說，濾波器的插入損耗是隨著其階數(shù)的增高和帶寬的降低而增加的。因此，高階可調(diào)諧窄帶濾波器的插入損耗對于實際應(yīng)用來說是太大了。此外，調(diào)諧范圍在高階濾波器的限制比低階濾波器的限制更大[4]。

可重構(gòu)濾波器的開發(fā)涉及到一些折衷之處，例如濾波器的尺寸和偏置電路的復雜性，這些都增加了挑戰(zhàn)性?？梢栽O(shè)想在開發(fā)電子可重構(gòu)微帶線濾波器方面將會有更多的研究和開發(fā)活動。有眾多文獻都涉及到這個論題，其中一些被列入?yún)⒖嘉墨I之中，感興趣的讀者可以參考這些文獻以獲取跟多的資訊。

致謝

本文所介紹的一些工作是由U.K.Engineering and Physical Science Research Council 通過兩個研究項目（EP/C520289/1 ）和（EP/E02923/1）給予資助的。作者對參與這些項目的組織和個人表示感謝。

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編輯：黃飛

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