電子可重構(gòu)，或者說電調(diào)微波濾波器由于其在改善現(xiàn)在及未來微波系統(tǒng)容量中不斷提高的重要性而正吸引著人們越來越多的關(guān)注來對其進行研究和開發(fā)。例如，嶄露頭腳的超寬帶（UWB）技術(shù)要求使用很寬的無線電頻譜。然而，作為資源的頻譜是寶貴而有限的，因此，頻譜總是被用于多種用途，這意味著當諸如UWB 無線系統(tǒng)這種操作受到關(guān)注時，頻譜上充滿著不期望的信號。在這種情況下，現(xiàn)存的時時處處都在發(fā)生變化的不期望的窄帶無線電信號有可能會干擾UWB 系統(tǒng)的波段。這種問題的解決方案是在UWB 帶通濾波器的通帶上引入了一個可進行電切換或電調(diào)諧的狹窄的抑制帶（陷波）。這種電子可重構(gòu)濾波器也是寬帶雷達或電子軍用系統(tǒng)所渴望得到的。我們可以來未雨綢繆地考慮未來的認知無線電和雷達應(yīng)用，可以肯定的是，可進行電子重構(gòu)的微波濾波器將會在無線系統(tǒng)中起到一個更重要的作用。

一般來說，為了開發(fā)電子可重構(gòu)濾波器，有源切換元件或調(diào)諧元件，如半導(dǎo)體p-i-n 和變?nèi)萜鞫O管，射頻（RF）微機電系統(tǒng)（MEMS）或其它基于功能性材料的元件，包括鐵電體變?nèi)萜鳎枰患蛇M入無源濾波器結(jié)構(gòu)中。由于微帶線濾波器[1]能夠便于以很小的尺寸來完成這類集成，因此，人們對于在微帶線的基礎(chǔ)上開發(fā)可調(diào)諧或可重構(gòu)濾波器的興趣日益增加[2]-[36]。這些濾波器可以分類為可調(diào)諧梳狀帶通濾波器[2]-[9]，射頻微機電系統(tǒng)可調(diào)諧濾波器[10]-[15]，壓電傳感器（PET）可調(diào)諧濾波器[17]-[19]，可調(diào)諧高溫超導(dǎo)（HTS）濾波器[21]-[23]，可重構(gòu)UWB 濾波器[24]-25]，可調(diào)諧雙頻段濾波器[26]，可調(diào)諧帶阻濾波器[27]-[31]，可重構(gòu)/可調(diào)諧雙模濾波器[32]-[36]，以及基于可切換延遲線的可重構(gòu)帶通濾波器。下面，我們將要介紹若干新近開發(fā)出來的典型的電子可重構(gòu)微帶線濾波器。

微帶線梳狀濾波器是開發(fā)可調(diào)諧或者說可重構(gòu)帶通濾波器頗受歡迎的結(jié)構(gòu)[2]-[9]。圖1 是一個3-極點可調(diào)諧梳狀濾波器的示意圖，其中每一個長度小于工作頻率的四分之一波長的微帶線諧振器的一端是短路相接的，另一端則加載一只變?nèi)萜鳌Ｔ谶@個例子中，變?nèi)萜魇腔阼F電體鈦酸鍶鋇（BST）薄膜的。每一個BST 變?nèi)萜鞯钠镁W(wǎng)絡(luò)包含有一個與變?nèi)萜飨啻?lián)的隔直電容器。帶通濾波器的中心頻率可以通過改變施加到變?nèi)萜鞯闹绷髌脕磉M行電子調(diào)諧。

圖1、一個可調(diào)諧梳狀帶通濾波器的示意圖[2]。

圖2 舉例說明了與BST 薄膜進行單片集成的可調(diào)諧梳狀濾波器的制作和其測量性能。正如在文獻[3]中所報道的，對于直流偏置，在BST 薄膜之上，又沉積了一層阻性氮化鉭（TaN）薄膜并制作相應(yīng)的圖案。TaN 薄膜的表面電阻率大約是1-10KΩ/每單位面積(Square)，被用來將直流偏置信號導(dǎo)引到電路上，而同時將對電路射頻性能的影響減到最小。將BST 薄膜電容器與鋁土基片，銅電極，和過孔相集成，從若干個方面推進了可調(diào)諧介電技術(shù)，這種調(diào)諧技術(shù)可以開發(fā)更復(fù)雜的射頻和微波電路。

圖2、(a)一個采用了鈦酸鍶鋇薄膜的X-波段（8-12GHz）梳狀可調(diào)諧濾波器和(b)其測試性能[3]。

在進行中心頻率調(diào)諧時所出現(xiàn)的帶寬波動是一個眾所周知的問題。一般來說，為了保持一個與調(diào)諧頻率無關(guān)的絕對的通帶帶寬，耦合系數(shù)必須與調(diào)諧頻率成反比。已經(jīng)存在一些解決這個問題的技術(shù)，例如文獻[4]和[8]。在文獻[8]中，人們研究了采用階梯阻抗微帶線諧振器的變?nèi)萜髡{(diào)諧梳狀帶通濾波器，這樣可以更好地控制諧振器之間的耦合，從而可以通過使用較短電長度的線段元件來滿足恒定帶寬的要求。同時，人們采用了集總式電感器來作為輸入和輸出耦合網(wǎng)絡(luò)，從而使得外部品質(zhì)因數(shù)（Q）直接隨著調(diào)諧頻率而變化。人們已經(jīng)演示了這種類型的一個四極點濾波器，在2GHz下250MHz 的調(diào)諧范圍內(nèi)，3-dB 通帶帶寬的變化小于3.2%。

在文獻[4]中，理論分析表明，對于一個可調(diào)諧N-極點濾波器，N 是諧振器的數(shù)量，其品質(zhì)因數(shù)（figure of merit） 定義為通帶中心頻率的偏移與平均通帶的比值，它取決于損耗或調(diào)諧變?nèi)萜鞯腝 值及濾波器的階數(shù)。由于Q 是與功率損耗成反比的，損耗越大，Q 值就越小。一般來說，品質(zhì)因數(shù)（或調(diào)諧范圍）在小Q 值及大N 值的條件下會有所降低。

人們可以通過實施源/負載多諧振器耦合來設(shè)計具有多個傳輸零點以改善上阻帶性能的可調(diào)諧平面梳狀濾波器。正如在文獻[9]中所演示的，這可以通過在經(jīng)典梳狀構(gòu)造中增加兩個新的耦合線而得以實現(xiàn)，如圖3（a）所示，其中我們可以看見兩條薄的線從源/負載端伸向內(nèi)部諧振器。圖3（b）繪制了所測得的具有分布在上阻帶的五個傳輸零點的濾波器的性能。濾波器的中心頻率可以在750MHz 到900MHz 之間進行調(diào)諧，濾波器使用的是Philips 公司的BB149 變?nèi)荻O管，在0V 到20V 的偏置電壓下，這個二極管電容值的變化范圍是2 到20pF。變?nèi)萜鞯钠迷?.8pF 和22nH。

圖3、(a) 所制作的采用源/負載多諧振器耦合的3-極點電調(diào)梳狀濾波器和(b)它的測量響應(yīng)[9]。

采用射頻微機電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器而不是變?nèi)萜鱽砀淖冎C振器濾波器中諧振器的長度或其電路參數(shù)則形成了第二類可重構(gòu)濾波器[10]-[15]。在這種情況下，電子調(diào)諧通常是采用數(shù)字方法來實現(xiàn)的，這種方法可以實現(xiàn)具有良好性能的大的調(diào)諧范圍，這包含了低損耗和高線性度。圖4 展示了一個這種類型的濾波器的例子。在這種情況下，正如文獻[11]中所報道的，這種拓撲結(jié)構(gòu)是基于分布式半波長微帶線諧振器上的，而這種諧振器則是在高阻性硅基片上制作的。這是一個具有兩個諧振器的帶通濾波器，在每一個諧振器的末端添加一個容性貼片，這便允許低損耗地實現(xiàn)一個偽2-比特（pseudo 2-bits）中心頻率的移動。測量得到的濾波器響應(yīng)示于圖4（b）中，其中通帶可以在四個不同的中心頻率處進行重構(gòu)。

圖4、（a）一個2-比特射頻微機電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器的照片和（b）它所測得的響應(yīng)[11]。

文獻[13]中報道了在差分4-比特射頻微機電系統(tǒng)可調(diào)諧濾波器方面所進行的開創(chuàng)性的工作。這個濾波器展示出極其微細的調(diào)諧精度，可在6.5 到10GHz 之間進行寬調(diào)諧范圍的濾波，具有16 個頻率上彼此相鄰的不同的濾波響應(yīng)，類似于一個連續(xù)可調(diào)諧濾波器。要了解更多有關(guān)射頻微機電系統(tǒng)可重構(gòu)濾波器的信息，請參考本雜志中專注于這個論題的文章[16]。

壓電傳感器（PET）也已經(jīng)同樣被用來開發(fā)電調(diào)微帶線濾波器[17]-[19]。圖5 對一個PET 可調(diào)諧微帶線濾波器的構(gòu)建進行了說明。正如在文獻[17]中所報道的，這個可調(diào)諧濾波器電路包含有采用級聯(lián)微帶線開環(huán)諧振器[20]所組成的濾波器，一個PET 和一個在濾波器上方所附著的一個電介質(zhì)微擾器。PET 是由鉛（lead），鋯酸鹽(Zirconate)和鈦酸鹽(Titanate)組成的。圖5 所示的PET是由兩個壓電層和一個墊片層組成的。夾在兩個同樣極化的壓電層之間的墊片層增加了機械強度和硬度。墊片連接到直流電壓的一個電極上來使PET 發(fā)生偏移，并且使之上下垂直運動。正如我們在圖5 的結(jié)構(gòu)中所能看到的，當微擾器上下運動時，濾波器的有效介電常數(shù)便會分別降低或增加，從而使得濾波器的通帶向較高頻率或較低頻率處移動。

圖5、可調(diào)諧帶通濾波器的構(gòu)建[17]。（a）頂視圖。（b）三維視圖。

圖6 是所開發(fā)的具有可切換陷波頻段的UWB 帶通濾波器的圖片[24]。從根本上說，沒有陷波的UWB 濾波器是一個最佳的分布式高通濾波器，它在微帶線上含有5段短路截線和四段連接線段[1]。

圖6、具有兩個可切換陷波結(jié)構(gòu)的微帶線UWB 濾波器[24]。

為了在UWB 濾波器的通帶上實現(xiàn)一個可切換的陷波，如圖7 所示。兩個完全相同的可切換陷波結(jié)構(gòu)被集成進入兩條連接線段中。這個結(jié)構(gòu)中增加了一個寬帶直流偏置電路。從原理上講，圖7 中的可切換陷波結(jié)構(gòu)是一段具有一個鑲嵌截線的傳輸線[39]。當p-i-n 二極管處于零偏置狀態(tài)時，由于其非常小的結(jié)電容而呈現(xiàn)出一個很大的阻抗，因此鑲嵌截線的作用便是一個可以產(chǎn)生諧振的開路截線。因此，在其基頻諧振頻率上，鑲嵌的開路截線在主傳輸線上顯示出短路的特性，從而產(chǎn)生一個窄的陷波頻段或者說是頻率響應(yīng)中的陷波。這種情況對應(yīng)的是陷波接通的狀態(tài)。為了關(guān)閉陷波，一個正向偏置被施加到p-i-n 二極管上。在正向偏置下，p-i-n 二極管相當于一個很小的電阻。因此，鑲嵌截線的開路端是與主傳輸線相連的，從而，沒有來自于這個鑲嵌截線的諧振。因此，陷波便會消失。

圖7、一個可切換陷波結(jié)構(gòu)的示意圖[24]。

圖8 展示了可重構(gòu)UWB 濾波器仿真和測量的響應(yīng)，其中，我們可以觀察到在中心頻率約為5.1GHz 處的陷波的接通/關(guān)閉，當其接通時，其抑制比大于35dB。為了接通陷波，p-i-n 二極管（M/A-COM MA 4AGSBP907）是處于零偏置狀態(tài)。當關(guān)閉陷波時，濾波器的性能與當p-i-n 二極管處于2.5-5mA 的正向偏置狀態(tài)下的性能來說幾乎是一樣的。所測得的最小插入損耗為0.5dB，并且測量得到的3dB 帶寬為5.92GHz。仿真和測量結(jié)果之間很小的差異可以解釋為是由制造公差，p-i-n 二極管，芯片電感或電容的雜散效應(yīng)所引起的。

圖8、仿真和測量結(jié)果的比較[24]。（電磁(EM)仿真是使用商業(yè)化的工具得到的[40]。）

在圖6 中，人們用變?nèi)荻O管來替代p-i-n 二極管便可以產(chǎn)生一個可調(diào)諧陷波結(jié)構(gòu)。因此，前面所討論的可重構(gòu)UWB 濾波器可以進行修改，從而具有一個可進行電子調(diào)諧的陷波頻段。所采用的是M/A-COM 公司的具有恒定伽瑪值的GaAs 倒裝芯片變?nèi)荻O管[25]。圖9（a）展示了MA46H120 變?nèi)荻O管典型的性能曲線。為了進行實驗演示，具有可調(diào)諧陷波的UWB 濾波器是在液晶聚合物上（LCD）實現(xiàn)的，基片的相對介電常數(shù)為3.0，厚度為0.5mm。圖9(b)是所制作的濾波器。除了用變?nèi)荻O管來替代p-i-n 二極管外，其版圖設(shè)計與圖6 的類似。變?nèi)荻O管是通過一個10kΩ 電阻與直流電壓相連接的。

圖9、（a）MA46H120 變?nèi)荻O管典型的性能。（b）采用MA46H120 變?nèi)荻O管所制作的具有可調(diào)諧陷波的可重構(gòu)超寬帶濾波器[25]。

圖10 是所測得的可重構(gòu)UWB 濾波器的響應(yīng)。當沒有直流偏置時（0V），在通帶上沒有陷波，如圖10（a）所示。這是因為變?nèi)荻O管電容在0-V 偏置下是如此之大，以至于它將陷波頻段移動到了通帶以下。當直流偏置在4V 到14V 時，陷波頻率在UWB 通帶內(nèi)4.5GHz 到6.5GHz 范圍內(nèi)被調(diào)諧，如圖10（b）所示。

圖10、具有可調(diào)諧陷波頻段的可重構(gòu)超寬帶濾波器所測得的性能。（a）沒有陷波的0-V 偏置。（b）具有可調(diào)諧陷波的非零偏置（來源于[25]）。

諸如BST 這類鐵電體材料新近在用于頻率捷變應(yīng)用的電調(diào)微波電路的開發(fā)中變得更加吸引人[41]-[42]。接下來，我們要介紹最新開發(fā)的BST 變?nèi)萜骺烧{(diào)諧帶阻濾波器[28]。