隨著通信,、雷達(dá)等無線電系統(tǒng)向高頻,、寬帶和小型化方向發(fā)展，出現(xiàn)了多種形式的可重構(gòu)微波濾波器,。本文綜述了各種典型可重構(gòu)濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀,，對比分析了不同種類可重構(gòu)濾波器的優(yōu)缺點,。得出的結(jié)論是:在毫米波頻段，基于液晶和鐵氧體等新材料的可重構(gòu)濾波器具有低損耗的優(yōu)勢,，而基于 MEMS 技術(shù)的可重構(gòu)濾波器兼具適應(yīng)高頻段和易于集成的優(yōu)點,，這將是未來可重構(gòu)濾波器研究的重要方向。

為滿足微波,、毫米波寬帶通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻信道高集成度,、小型化、靈活可配置的要求 ,，提出在收發(fā)系統(tǒng)中采用可配置的收發(fā)前端,，這類可配置前端也適用于寬帶雷達(dá)或電子戰(zhàn)系統(tǒng)?？膳渲檬瞻l(fā)前端包括可變增益放大器,、可調(diào)衰減器、寬帶天線和可重構(gòu)濾波器等,，其中可重構(gòu)濾波器技術(shù)最不成熟,，尤其是在毫米波頻段，急需技術(shù)上的突破,?？芍貥?gòu)濾波器有多種可重構(gòu)特性，包括中心頻率可重構(gòu),、帶寬可重構(gòu),、中心頻率和帶寬同時可重構(gòu)等。本文將從可重構(gòu)濾波器實現(xiàn)的物理方式來分類,，分別敘述這幾類可重構(gòu)濾波器的不同結(jié)構(gòu)和特點,。最后對可重構(gòu)濾波器的發(fā)展作出展望。

機(jī)械可重構(gòu)濾波器是指對濾波器外形產(chǎn)生機(jī)械形變來實現(xiàn)頻率變化,。機(jī)械可重構(gòu)器的優(yōu)勢是普遍具有高 Q 值,、高功率容量、較低的插入損耗,，其缺陷是調(diào)諧速度慢,，且體積龐大。機(jī)械可重構(gòu)濾波器早期用螺釘,、齒輪彈簧等器件對濾波器進(jìn)行調(diào)諧,。對于波導(dǎo)元件，當(dāng)螺釘插入時隨著深度變化,，其附近電場能量和磁場能量會發(fā)生相對變化,，這種變化會等效成不同的電納和電抗。

近年來，機(jī)械可重構(gòu)濾波器也得到了改進(jìn),。文獻(xiàn)提出一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的機(jī)械可重構(gòu)濾波器,，其主要通過調(diào)整銅柱與圓腔中心的距離來實現(xiàn)機(jī)械調(diào)諧，銅柱移動的位置與主腔的諧振頻率呈近似線性關(guān)系,，單圓腔的調(diào)諧范圍為 12．6～15．0 GHz,，插損在 1．7～2．8 dB 之間。文獻(xiàn)提出了由液態(tài)金屬來實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的基片集成波導(dǎo)濾波器,，如圖 1 所示,，其原理是通過將液態(tài)金屬注入腔體中心孔中形成金屬柱，精確改變金屬柱的高度將電容加載諧振器調(diào)諧到所需的頻率,。2019 年電子科技大學(xué)的研究人員利用金和硅對溫度不同的熱系數(shù),，提出了一個太赫茲頻段的可調(diào)波導(dǎo)濾波器  ，采用MEMS 雙晶壓電微驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)諧,，原理是當(dāng)溫度升高時,，雙壓電晶片的壓片會發(fā)生機(jī)械上的形變，中心頻率可以從 247 GHz 調(diào)整到 260 GHz,，該濾波器調(diào)諧率較低,，僅有 5．26%，通帶內(nèi)的插入損耗低于 6dB,。

圖 1 基于基片集成波導(dǎo)的液態(tài)金屬可調(diào)濾波器

梳狀線帶通濾波器的諧振器結(jié)構(gòu)是一端接地另一端接電容，將電容那一部分替換成可變電容便可以形成電調(diào),。除了可以用變?nèi)莨?，還可以用鐵電材料二極管進(jìn)行替換 。僅在梳狀線末端加載變?nèi)莨?，濾波器在調(diào)頻的過程中會造成帶寬被動地發(fā)生變化,，于是衍生出帶寬恒定的可重構(gòu)濾波器。如圖2 所示,，2004 年 Kim 等人將梳狀線末端采用階梯阻抗結(jié)構(gòu) ，使得短路端微帶線的磁耦合下降,，實現(xiàn)了恒定帶寬的中心頻率可重構(gòu),，并得出結(jié)論:為維持電調(diào)濾波器的帶寬不變，需做到耦合系數(shù)與頻率呈反比,，外部品質(zhì)因數(shù)與頻率呈正比,。

在這之后又出現(xiàn)其他有關(guān)絕對帶寬不變的探索，如梳狀線濾波器的相鄰諧振器之間用交指結(jié)構(gòu)耦合 。文獻(xiàn)提出由兩個 1/4 波長諧振器和一個半波長諧振器端接變?nèi)莨?，沿用文獻(xiàn)的結(jié)論制作出一個在調(diào)諧過程中相對帶寬維持恒定的三階混合梳狀線電調(diào)濾波器,，即諧振器間的耦合系數(shù)和調(diào)諧頻率呈反比例關(guān)系來維持恒定帶寬，測得調(diào)諧范圍為 1．0 ～1．78 GHz,，插入損耗小于 5．7 dB,。

在諧振器之間引入變?nèi)莨埽梢哉{(diào)整諧振器間的耦合系數(shù),，實現(xiàn)帶寬的可重構(gòu),。如文獻(xiàn)，仍然是在梳狀線帶通濾波器的末端通過加載變?nèi)莨軄韺崿F(xiàn)中心頻率的可重構(gòu),，但在首尾諧振器之間又引入變?nèi)莨軄碇鲃訉崿F(xiàn)帶寬的可重構(gòu),，其調(diào)諧范圍是1．75～2．25 GHz，插入損耗是 3．2～7．2 dB,。文獻(xiàn)是在相鄰諧振器之間加入變?nèi)莨苷{(diào)節(jié)耦合系數(shù),，以改變?yōu)V波器的傳輸零點。除了在諧振器之間加入變?nèi)莨?，在兩個饋電點之間也可加入變?nèi)莨苄纬山徊骜詈蟻碚{(diào)節(jié)傳輸零點  ,。

如果要實現(xiàn)更大的調(diào)諧范圍，就需要加入開關(guān)器件,。如圖 3,，文獻(xiàn)通過開關(guān)的通斷來讓傳輸線長度直接發(fā)生改變，從而實現(xiàn)高,、低頻兩種模式,，然后再分別對這兩種模式進(jìn)行調(diào)諧。測試結(jié)果顯示調(diào)頻范圍是 1．1～2．1 GHz,，插入損耗是 4．4～6．1 dB,。其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2．2 多模形式可重構(gòu)濾波器

文獻(xiàn)提出了一種雙模開環(huán)諧振器并研究其特性,。如圖 4 所示,，當(dāng)中間加載的元件寬度 W 發(fā)生變化時，原本重合在一起的頻率特性曲線就會分裂,，但是無論增加還是減小,，只有偶模受到影響而奇模不受影響。另外,，當(dāng)這兩種模式分開時,，會存在一個有限傳輸零點，也可以將兩個雙模諧振器級聯(lián),，使之在通帶兩邊都產(chǎn)生傳輸零點,。

利用上述文獻(xiàn)總結(jié)的特性,，文獻(xiàn)提出了一個基于雙模開環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的電調(diào)濾波器，兩個變?nèi)莨芸梢苑謩e調(diào)整奇模和偶模的頻率,。文獻(xiàn)將這兩個濾波器級聯(lián)則會在兩側(cè)各產(chǎn)生一個傳輸零點,。

以上兩個濾波器 都是在一對奇偶模的基礎(chǔ)上進(jìn)行可重構(gòu)，文獻(xiàn)提出了一個具有兩對奇偶模的四模式可重構(gòu)濾波器,，它在折疊 T 型諧振器的基礎(chǔ)上由兩個加載變?nèi)莨艿陌氩ㄩL諧振器構(gòu)成具有兩對奇偶模的可重構(gòu)濾波器,。

2018 年，華中科技大學(xué)的蔡偉偉等制作了一個基于雙模諧振器的雙通帶可調(diào)諧濾波器 ,，該濾波器的兩個通帶之間相互獨立,，調(diào)諧其中一個通帶對另一個通帶幾乎沒有影響。通過引入源與負(fù)載的耦合,，使得雙通帶兩側(cè)各產(chǎn)生一個傳輸零點,，提高了濾波器的選擇性和帶外抑制能力。

以微帶線為主的平面結(jié)構(gòu),，存在著介質(zhì)損耗,、導(dǎo)體損耗和輻射損耗，這些損耗會隨著頻率增加而增加,，在高頻段這些損耗會增加,。消逝模可重構(gòu)濾波器在毫米波段具有低插損的優(yōu)勢,。前面提到的用液態(tài)金屬重構(gòu)就是在消逝模的基礎(chǔ)上調(diào)諧,。除此之外，普渡大學(xué)對消逝模結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)濾波器做了很多研究 ,，與以往使用變?nèi)莨艿姆椒ㄋ煌氖?，這類變?nèi)萜魇峭ㄟ^改變薄膜高度或在薄膜上加載變?nèi)莨軄砀淖冸娙輳亩鴮崿F(xiàn)濾波器的可重構(gòu)。東南大學(xué)的洪偉教授等提出了半?；刹▽?dǎo)(HMSW)的概念,，其最大優(yōu)勢是將原有的 SIW 結(jié)構(gòu)尺寸減小將近一半，利用該結(jié)構(gòu),，2016 年 You Bin 提出了一個基于 HMSIW 結(jié)構(gòu)的電調(diào)濾波器 ,，如圖5 所示，其結(jié)構(gòu)是在兩個 PCB 板之間加兩個半圓金屬板,，半圓金屬板和上層 PCB 的金屬層形成一個電容,，在下半 PCB 板制作一個中心通孔形成一個電感，通過在上層金屬和通孔之間加入兩個并聯(lián)變?nèi)莨苄纬呻娬{(diào)濾波器,。

鐵電薄膜電調(diào)濾波器的原理是在直流電壓的作用下,，BST(鈦酸鍶鋇)的介電常數(shù)會發(fā)生改變從而導(dǎo)致電容發(fā)生變化。鐵電薄膜電調(diào)濾波器的最大優(yōu)點在于可實現(xiàn)平面集成化,，但微波頻率下的損耗與電調(diào)率之間的矛盾沒有得到解決,。該結(jié)構(gòu)直接將鐵電材料做成變?nèi)莨軄硖娲雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)的變?nèi)莨埽部梢杂描F電材料來改進(jìn)原本的介質(zhì)層來形成可重構(gòu)濾波器,。

文獻(xiàn)便是用 BST 變?nèi)莨艽鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的變?nèi)莨芗虞d在梳狀線的末端,。鐵電材料的變?nèi)莨苓€可以做成交指結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)提出一個用 YBCO/BST(釔鋇銅氧/鈦酸鍶鋇)雙層薄膜的 3 極電調(diào)濾波器,，在零偏壓的時候頻率為 3．5 GHz,，插損為 6 dB，200 V偏置下中心頻率變?yōu)?3．78 GHz,，插損降為 1．4 dB,。

除了直接用鐵電材料來做成變?nèi)莨埽部梢詫㈣F電材料作用在襯底上,。1998 年美國愛荷華大學(xué)的 Subramanyam 用金,、SrTiO 3 (鈦酸鍶)和 LaAlO 3(鋁酸鑭) 介質(zhì)層制作了第一個 K 波段的電調(diào)濾波器 。測得調(diào)頻范圍是 17．5～20．75 GHz,，室溫下插入損耗 2．5 dB,，其物理結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。

文獻(xiàn)又提出一種基于 BST 交指變?nèi)萜鞯碾p模開環(huán)微帶結(jié)構(gòu)的電調(diào)濾波器,，測得中心頻率為1．8 GHz,，可調(diào) 3 dB 帶寬為 276 ～218 MHz。

相比其他形式的可重構(gòu)濾波器,，液晶電調(diào)諧不需要加入額外的變?nèi)莨埽瑥亩粫腩~外的插入損耗,，也避免了變?nèi)莨軒淼姆蔷€性效應(yīng),，同時液晶還具有體積小、成本低,、質(zhì)量輕的優(yōu)點,。英國埃塞克斯大學(xué)的 D． Mirshekar－Syahkal 設(shè)計了一種基于液晶的三階電調(diào)諧濾波器，通過對電路下方的液晶施加電壓,，測得中心頻率為 33 GHz,，調(diào)諧范圍 2 GHz，帶寬為 3．3 GHz,，插損是 4．5 dB,，調(diào)諧率是 6%。

與 2．3 節(jié)提到的在基片集成波導(dǎo)濾波器中引入電容類似,，2015 年 A．E．Prasetiadi 等將基于消逝模的基片集成波導(dǎo)濾波器中的電容部分用液晶填充,，設(shè)計了一款 3 階切比雪夫濾波器  ，如圖 7,，通過對液晶施加電場來實現(xiàn)調(diào)諧,，其無載品質(zhì)因數(shù)達(dá)到 102～105．6，最后測得中心頻率為 22 GHz,，帶寬為 600MHz,，插損為 6 dB，回波損耗為 10 dB,，可調(diào)范圍達(dá)610 MHz,。

基于鐵氧體的濾波器具有良好的插損和高功率容量。和液晶類似,，由于鐵氧體可重構(gòu)濾波器并沒有額外引入變?nèi)莨芑蜷_關(guān),，所以其具有較低的插入損耗，同時也避免了非線性效應(yīng),。鐵氧體磁調(diào)濾波器主要有兩種方法:

①直接改變鐵氧體諧振器的諧振頻率來形成可重構(gòu);

②基于微帶電路結(jié)構(gòu),，利用鐵氧體材料覆蓋到電路的導(dǎo)體層,，通過外加磁場來形成濾波器的可重構(gòu)。

文獻(xiàn)使用了 4 個 YIG 球,，通過電感將諧振球耦合起來形成一個多倍頻程的可重構(gòu)濾波器,，其等效電路圖如圖 8。

鐵氧體也可以通過和帶通濾波器中諧振器的耦合來形成可重構(gòu)濾波器,，這類濾波器重構(gòu)的主要方法就是用外加磁場來改變該耦合。文獻(xiàn)利用一對帶阻濾波器構(gòu)成了一個可調(diào)帶通濾波器,，其原理是當(dāng)鐵氧體層的諧振頻率和微波載波的諧振頻率一致時會產(chǎn)生一個吸收峰值,，而通過改變外加磁場則可改變鐵氧體層的諧振頻率從而實現(xiàn)頻率調(diào)諧。測得該濾波器的頻帶為 5．9 ～17．8 GHz,，插入損耗是4．2 dB,。文獻(xiàn)用多鐵芯代替了磁芯，多鐵芯的強磁耦合使其可調(diào)電感的范圍擴(kuò)大了 4．5 倍,，同時品質(zhì)因數(shù)提高了近 2 倍,。如果將襯底直接換成鐵氧體材料，也可以實現(xiàn)可重構(gòu)濾波器,。文獻(xiàn)提出了用飽和磁致伸縮更大的鎳鐵鐵氧體材料來實現(xiàn)可重構(gòu)濾波器,，如圖 9，測得調(diào)諧率是 4．8%,，初始中心頻率在 14．16 GHz,，3 dB帶寬是 690 MHz，插入損耗是 5．5 dB,。當(dāng)偏置磁場低于 50 Oe 時,，中心頻率變?yōu)?14 GHz，插入損耗是 5．2 dB,。當(dāng)偏置磁場增加到100～150 Oe 時,，頻率中心降低為 13．72 GHz 和 13．35GHz，插入損耗是 5．5 dB 和 6．1 dB,。

圖 9 基于發(fā)夾結(jié)構(gòu)的部分磁化可重構(gòu)濾波器

傳統(tǒng)鐵氧體可重構(gòu)濾波器的設(shè)計一般需要外加偏置,，導(dǎo)致體積過大，不利于集成,，2015 年沙特國王科技大學(xué)的 Eyad Arabi 等人提出在 YIG 襯底上沉鈦和金并鍍銅 ,，形成了一個平面自偏的結(jié)構(gòu)，這大大縮小了可重構(gòu)濾波器的尺寸,。其結(jié)果顯示頻率范圍 5．9～5．77 GHz,，插入損耗 2．3～3 dB。

2019 年印度理工大學(xué)的 Srujana Kagita 提出了基于鐵氧體電感做調(diào)諧元件的電調(diào)帶通濾波器 ,。該濾波器通過在鐵氧體襯底周圍纏繞銅線圈來實現(xiàn)電調(diào)諧,，鐵氧體襯底由低溫共燒陶瓷制成,，50 Ω 微帶線以矩形的形狀印制在鐵氧體襯底上，當(dāng)偏置電流從 50 mA 增加到 350 mA 時,，中心頻率從 9．6 GHz偏移到 10．8 GHz,，可調(diào)率可達(dá) 11%。

MEMS 可以用于可重構(gòu)濾波器中,，具有損耗低,、線性度高、Q 值高,、響應(yīng)速度快且易于集成的優(yōu)點,，在射頻領(lǐng)域中 MEMS 除了用以控制電容，更多的是利用了 MEMS 開關(guān)來設(shè)計可重構(gòu)濾波器,。

文獻(xiàn)設(shè)計出通過開關(guān)改變發(fā)夾式諧振器的物理長度來改變諧振器的諧振頻率,。其結(jié)構(gòu)如圖10 所示。調(diào)諧范圍為 6．2 ～5．5 GHz,，插入損耗優(yōu)于4．5 dB,，回波損耗低于 17 dB。

文獻(xiàn)設(shè)計了二維 MEMS 可調(diào)周期性缺陷接地加載諧振器結(jié)構(gòu),，由 8 個 MEMS 開關(guān)來控制缺陷接 地 的 加 載 情 況,，測 得 可 調(diào) 頻 率 為 19． 4 ～27．1 GHz之間有 26 個可調(diào)狀態(tài)，插入損耗低于4．5 dB,，調(diào)諧率為 10%,。文獻(xiàn)用槽線制作的低通 MEMS 開關(guān)可調(diào)濾波器，其插入損耗可低至0．6 dB左右,。文獻(xiàn)［38］提出了一種 SIW 射頻 MEMS可重構(gòu)濾波器,，利用 MEMS 開關(guān)來調(diào)整諧振腔頻率的方法來實現(xiàn)可重構(gòu)。其調(diào)諧范圍是 1． 2 ～ 1． 6GHz,，調(diào)諧率是 28%,，插入損耗是 2．2～4．1 dB。

本文綜述了 6 種可重構(gòu)濾波器,。其中微帶結(jié)構(gòu)加載半導(dǎo)體變?nèi)莨艿男问桨l(fā)展較為成熟,，可重構(gòu)的形式最多，多用于 L 波段,，較少用于毫米波頻段;機(jī)械可重構(gòu)濾波器具有很高的 Q 值和功率容量,，其缺點是調(diào)諧速度過慢，體積較大;鐵電材料可重構(gòu)濾波器在高頻段具有良好性能,，但加工較為復(fù)雜,，為降低損耗還需使用金、鉑或高溫超導(dǎo)，成本較高;鐵氧體可重構(gòu)濾波器的優(yōu)勢在于具有高品質(zhì)因數(shù)和較大功率容量,，在高頻段插入損耗較低,，但是體積較大，響應(yīng)較慢;MEMS 可重構(gòu)濾波器是近年來發(fā)展較快的技術(shù),，相比其他 5 種可重構(gòu)濾波器,，其兼具高集成化、高調(diào)諧速率,、低插入損耗,、適用更高頻率等優(yōu)勢，MEMS 技術(shù)在未來可重構(gòu)器濾波器的發(fā)展中具有很大的潛力,。（參考文獻(xiàn)略）