导抗逆变器调节AWLR混合滤波器带宽的准则_刘兆年.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 7 基金项目:西南科技大学科研基金资助项目(2 0 z x 7 1 1 4);重点实验室预研基金资助项目(6 1 4 2 1 0 5 2 0 0 2 0 3、6 1 4 2 8 0 6 0 3 0 3);气动噪声控制重点实验室开放课题(AN C L 2 0 2 0 0 3 0 4)作者简介:刘兆年(1 9 9 9-),男,四川省成都市人,硕士生,主要从事射频微电子机械系统(R F MEM S)的研究。通信作者:刘婷婷(1 9 8 1-),女,四川省乐山市人,副教授,硕士生导师,博士,主要从事微电子机械系统(M EM S)的研究。E-m a i l:l i u t i n g t i n g s w u s t.e d u.c n。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 1 4 9-0 4D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 2 8导抗逆变器调节AWL R混合滤波器带宽的准则刘兆年,刘婷婷,黄 一,冯铭昆(西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳6 2 1 0 1 0)摘 要:为了调节极窄带滤波器的带宽,提出了一种新型的AWL R混合滤波器,此结构引入导抗逆变器对滤波器的带宽进行调节,该文对其调节带宽的原理和准则进行了研究。分析二端口网络的参数矩阵,将引入导抗逆变器前后的电路网络参数进行比较,得到其调节带宽的准则。比较引入不同逆变器后的仿真结果,并进行验证。以J=1/1 2 3的J型逆变器为例,引入逆变器后,滤波器的相对带宽从0.0 7 2%提高到0.4 1%。获得导抗逆变器调节AWL R混合滤波器带宽的准则,并验证了其正确性。关键词:滤波器;声波谐振器;导抗逆变器;二端口网络中图分类号:T N 7 1 3+.5 文献标志码:A C r i t e r i af o rA d j u s t i n gB a n d w i d t ho fAWL RH y b r i dF i l t e rb yI mm i t t a n c e I n v e r t e r sL I UZ h a o n i a n,L I UT i n g t i n g,H U A N GY i,F E N G M i n g k u n(S c h o o l o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,M i a n y a n g6 2 1 0 1 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oa d j u s tt h eb a n d w i d t ho fe x t r e m e l yn a r r o w b a n df i l t e r,an o v e lh y b r i da c o u s t i c-w a v e-l u m p e d-e l e m e n t r e s o n a t o r(AWL R)f i l t e r i sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r.I nt h i ss t r u c t u r e,t h e i mm i t t a n c e i n v e r t e r i s i n-t r o d u c e dt oa d j u s t t h eb a n d w i d t ho f t h e f i l t e r.T h ep r i n c i p l ea n dc r i t e r i ao f i t sb a n d w i d t ha d j u s t m e n ta r e i n v e s t i g a-t e d.T h ep a r a m e t e rm a t r i xo f t h e t w o-p o r tn e t w o r ki sa n a l y z e da n dt h ec i r c u i tn e t w o r kp a r a m e t e r sb e f o r ea n da f t e ri n t r o d u c i n g i n t ot h e i mm i t t a n c e i n v e r t e r a r e c o m p a r e d t oo b t a i n i t s c r i t e r i a f o r a d j u s t i n g t h eb a n d w i d t h.T h e s i m u l a-t i o nr e s u l t sa f t e r i n t r o d u c i n gd i f f e r e n t i n v e r t e r s a r e c o m p a r e da n dv e r i f i e d.T a k i n g t h e J-t y p e i n v e r t e rw i t hJ=1/1 2 3a sa ne x a m p l e,t h er e l a t i v eb a n d w i d t ho f t h e f i l t e r i s i n c r e a s e d f r o m0.0 7 2%t o0.4 1%a f t e r i n t r o d u c i n gt h e i n v e r t-e r.T h ec r i t e r i a f o ra d j u s t i n gt h eb a n d w i d t ho fh y b r i dAWL Rf i l t e ra r eo b t a i n e da n d i t sc o r r e c t n e s s i sv e r i f i e d.K e yw o r d s:f i l t e r;a c o u s t i c-w a v er e s o n a t o r;i mm i t t a n c e i n v e r t e r;t w o-p o r tn e t w o r k 0 引言AWL R混合滤波器由声波谐振器和集总元件混合构成。最简的AWL R混合滤波器由一个声波谐振器并联1个电感组成1。与传统的声波滤波器相比,AWL R混合结构可以实现更大的相对带宽,并保留其高品质因数(Q)值的优点。P s y c h o g i o uD等2提出了一种新型的AWL R混合滤波器电路结构,在最简AWL R滤波器中加入导抗逆变器,增加了滤波器的带宽,但未对其进行分析和解释。导抗逆变器是一种在微波电路中常用的拓扑结构,H o n gJS3、康林4和森荣二等5均运用了导抗逆变器来设计经典L C滤波器。通过导抗逆变器的等效特性将L C滤波器的电路等效为更易实现的形式。导抗逆变器在滤波器的设计中已有了较广泛的应用,但在AWL R中调节带宽的问题并未解决,因此希望得到导抗逆变器调节AWL R混合滤波器的带宽原理和准则。通过二端口网络参数分析的方法,分析电路的S参数,得到导抗逆变器调节带宽的准 则。设 计 了 一 款 中 心 频 率 为4 1 8 MH z的AWL R混合滤波器,通过加入不同参数的导抗逆变器,对调节滤波器带宽的准则进行了仿真验证。1 电路原理1.1 AWL R混合滤波器图1是由1只声波谐振器和1只并联电感组成的最简AWL R混合滤波器的电路原理图。图中,B V D等效模型中的电容Cp与外接的并联电感Lp构成了并联谐振;等效模型中的Lm和Cm构成串联谐振。串联谐振频率s和并联谐振频率p分别为s=1 LmCm(1)p=1 LpCp(2)式中:Lm,Cm,Cp为B V D模型等效出的电感、电容;Lp为外接电感。图1 最简AWL R混合滤波器电路原理图式(1)、(2)表明,串联谐振回路与并联谐振回路共同构成了最简AWL R滤波器的电路结构。由串联谐振频率与并联谐振频率可以确定滤波器的两个传输零点。1.2 导抗逆变器导抗逆变器可以分为阻抗逆变器(K逆变器)和导纳逆变器(J逆变器),其在所有频率下均存在如下特性:Z1=K2/Z2(3)Y1=J2/Y2(4)式中K和J为实数,定义为阻抗逆变器的特性阻抗和导抗逆变器的特征导纳,由逆变器本身的结构决定7。由式(3)、(4)可见,因为是实数除以虚数,若Z2(Y2)呈感性或容性,那么对应地,Z1(Y1)被改变为容性或感性。因此,导抗逆变器的工作原理是通过改变相位以实现感性与容性相互变换。导抗逆变器的传递(A B C D)矩阵形式为A BC D=0jK1jK0(5)A BC D=01jJjJ0(6)由式(5)、(6)可见,K逆变器和J逆变器的矩阵参数中B与C互为倒数,这也是阻抗和导纳的关系特性。1.3 新型AWL R混合滤波器图2为加入导抗逆变器后的新型AWL R混合滤波器电路原理图2。图中左右两端为J逆变器,其作用是调整滤波器的带宽,此外还有两个并联谐振器。对两个并联谐振器进行分析,并联谐振会确定一个谐振频率,当信号频率在其附近时会通过并联谐振到地。其作用是插入传输零点,降低带外抑制。这与本文研究的带宽调节无关,后续将不再对其进行讨论。图2 新型AWL R混合滤波器电路原理图2 调节带宽准则导抗逆变器的作用是改变阻抗或导纳的相位,理想的导抗逆变器和AWL R结构都是一个二端口网络,使用A B C D矩阵表示二端口网络级联之间的关系最简便:V1I1=A B C D A B C D V2-I2=A BC DV2-I2(7)式中:V1,I1为整个二端口网络的输入电压、电流;V2,I2为整个二端口网络的输出电压、电流;A 和A 分别代表第一、二端口网络中的传递矩阵参数。将式(5)、(6)代入式(7),原AWL R二端口网络的整个阻抗看作Z1,则级联后的矩阵参数可表051压 电 与 声 光2 0 2 3年 示为A BC D=01jJjJ01Z10101jJjJ0=-10-J2Z1-1(8)将式(8)代入下式得到级联后的S2 1:S2 1=2A+B/Z0+C Z0+D=-22+J2Z0Z1(9)式中Z0为电路的匹配阻抗。级联前,原AWL R的S2 1表达式为S 2 1=2/(2+Z1/Z0)(9)滤波器的带宽与S2 1参数可以联立,带宽的改变对应S2 1的 改 变,所 以 将 级 联 后 的S2 1参 数 与 原AWL R结构的S 2 1进行对比分析。S参数为一个虚数,比较时取其模长,故S2 1的负号可略去。将S2 1S 2 1代入式(9)、(1 0)并化简可得:J1/Z0时,带宽减小。3)逆变器J=1/1 5 0、J=1/1 2 3,即J1/Z0时,带宽增大;J越小,带宽越大。讨论应用导抗逆变器调节滤波器带宽的能力。图8为最简AWL R混合滤波器+J逆变器(J=1/8 0 0)设计案例的仿真结果。图8 最简AWL R滤波器+J逆变器(J=1/8 0 0)设计案例的S2 1参数(仿真)由图7、8可见,调节导抗逆变器的特征导纳可以增大AWL R混合滤波器的带宽,但通带限于2个固定 的 传 输 零 点 之 间。使 用 导 抗 逆 变 器 拓 展AWL R混合滤波器的带宽会对其带外抑制产生负面影响,使用时需在带宽与带外抑制之间进行折中。4 结论根据二端口网络的分析方法,结合案例仿真验证,得到以下结论:1)对最简AWL R滤波器+导抗逆变器的电路进行分析,得到导抗逆变器调节AWL R混合滤波器带宽的准则 J1Z0时可以增大带宽,反之则减小带宽。2)使用导抗逆变器调节最简AWL R滤波器带宽的方法存在局限性:带宽调节能力有限(最大带宽不大于2个传输零点之间的频差);增大带宽会使带外抑制下降。参考文献:1 P S Y CHO G I OU D,G OME Z-G A R C I A R,P E R OU L I SD.S i n g l e a n d m u l t i b a n d a c o u s t i c-w a v e-l u m p e d-e l e-m e n t-r e s o n a t o r(AWL R)b a n d p a s sf i l t e r sw i t hr e c o n-f i g u r a b l et r a n s f e rf u n c t i o nJ.I E E E T r a n s a c t i o n so nM i c r o w a v e T h e o r y&T e c h n i q u e s,2 0 1 6,6 4(1 2):4 3 9 4-4 4 0 4.2 P S Y CHO G I OUD,G OME Z-G A R C I AR,P E R O OU L I SD.C o u p l i n g-m a t r i x-b a s e dd e s i g no fh i g h-b a n d p a s sf i l-t e r su s i n gA c o u s t i c-W a v eL u m p e d-E l e m e n t-R e s o n a t o r(AWL R)m o d u l e sJ.M i c r o w a v eT h e o r ya n dT e c h-n i q u e s,I E E E T r a n s a c t i o n s o n,2 0 1 5,6 3(1 2):4 3 1 9-4 3 2 8.3 HON GJS.M i c r o s t r i pf i l t e r s f o rR F/m i c r o w a v ea p p l i-c a t i o n sM.U S A:J o h nW i l e y&S o n s,2 0 0 4.4 康林.多层介质结构L C滤波器多 级级 联技 术研 究D.南京:南京邮电大学,2 0 1 1.5 森荣二,薛培鼎.L C滤波器设计与制作M.北京:科学出版社,2 0 0 6.6 P S Y CHO G I OU D,G ME Z-G A R C A R,P E R OU L I SD.A c o u s t i c-w a v e-l u m p e d-e l e m e n t-r e s o n a t o rf i l t e r sw i t h e q u i-r i p p l ea b s o r p t i v es t o p b a n d sJ.I E E E M i c r o-w a v ea n dW i r e l e s sC o m p o n e n t sL e t t e r s,2 0 1 6,2 6(3):1 7 7-1 7 9.7 R U P P E L,C L EME N SC W.A c o u s t i cw a v ef i l t e rt e c h-n o l o g y-Ar e v i e wJ.I E E ET r a n s a c t i o n so nU l t r a s o n-i c s,F e r r o e l e c t r i c s,a n d F r e q u e n c y C o n t r o l,2 0 1 7,6 4(9):1 3 9 0-1 4 0 0.251压 电 与 声 光2 0 2 3年