基于CMOS工艺的毫米波可调滤波器研究

Tunable (or reconfigurable) filters are widely used in the multi-frequency, spread spectrum and frequency hopping, dynamic frequency allocation, electronic countermeasure and cognitive radio etc. There are still many challenges in realizing and optimizing millimeter wave tunable filters with low loss, high Q value, high integration and low cost. This project aims at conducting the research on millimeter wave tunable substrate integrated waveguide (SIW) filters and their key technologies based on CMOS technology. The main research contents are included as follows: (1) build the equivalent circuit model of MOS varactor with high frequency and high input power; (2) explore the realization and the design methods of tuning resonant circuit with high Q value, tuning circuit between coupled resonators and tuning circuit of external Q value based on SIW technology; and analyze the influence and tuning range of external control voltage on the center frequency and the bandwidth by establishing the equivalent circuit model of the tuning filter; (3) explore a general method of tunable filters and realize fast tuning based on space mapping technology; (4) analyze the nonlinearity of the tunable filters and explore the methods to improve the power capacity. We will hopefully be able to build a perfect millimeter wave tunable filters design theory. Therefore, research results of this project are expected to establish the theoretical basis to the research and implementation of other tunable devices and systems.

可调（或可重构）滤波器在多频、扩跳频、动态频率分配、电子对抗以及认知无线电等诸多领域有着广泛的应用。而低损耗、高Q值、高集成度、低成本的毫米波可调滤波器的实现及其快速优化设计面临着诸多挑战性问题。本项目拟采用CMOS工艺，开展基于基片集成波导（SIW）结构的毫米波可调滤波器及其关键技术研究。主要研究内容包括：研究在高频、大功率输入时MOS变容管的等效电路模型；结合CMOS工艺，研究基于SIW结构的高Q值谐振器调谐电路、谐振器间耦合调谐电路以及外部Q值调谐电路的实现与设计方法，通过建立可调滤波器的等效电路分析外部控制电压对中心频率与带宽的影响以及调谐范围；结合空间映射法，建立可调滤波器设计的一般方法以及快速调谐方法；对可调滤波器进行非线性分析，探究功率容量改善方法。本项目有望形成较为完善的毫米波可调滤波器设计理论体系，并且该研究成果可为其它可调器件与系统的研究与实现奠定理论基础。

可调（或可重构）滤波器在多频、扩跳频、动态频率分配、电子对抗以及认知无线电等诸多领域有着广泛的应用。而低损耗、高Q值、高集成度、低成本的毫米波可调滤波器的实现及其快速优化设计面临着诸多挑战性问题。本项目主要基于基片集成波导（SIW）结构，开展了毫米波可调滤波器关键技术研究，主要创新性工作可以概括如下：.1、首次系统并详尽地分析了基片集成矩形谐振腔(SIRC)的多模谐振特性，通过选择基频相同而谐波频率不同的SIRC以抑制杂散信号电平，可以改善SIW滤波器的谐波问题。提出了设计参数比值法，可以解决双模双通道滤波器两通道外部Q值与耦合系数难以同时满足的问题，实现具有灵活可控带宽比的SIW双模双通带带通滤波器。.2、提出了枝节加载HMSIW结构，研究了基于该结构的谐振器调谐电路、谐振器间耦合调谐电路以及外部Q值的调谐电路，解决了可调滤波器调谐范围小的问题，实现了中心频率与带宽全可调的带通滤波器和两个通带独立可调的双通道滤波器。并且给出了可调滤波器的设计方法，为实现自动化调谐提供了理论基础。.3、研究了基于CMOS工艺的晶体管，并设计并实现了具有增益的CMOS传输线，解决了CMOS电路损耗大的问题。.研究成果在包括IEEE TMTT、IEEE MWCL、IET EL、微波学报等本领域重要期刊上发表论文12篇，其中SCI检索10篇， 2区SCI论文3篇，3区SCI论文3篇；并在国际会议上作3次报告，国内会议上作3次报告。以本项目的研究成果申请了3项发明专利，其中1项已授权。培养硕士研究生4名，共同培养博士研究生2名。本项目取得的各项成果均超过预期指标。研究得出的结论与设计方法具有良好的理论和实际应用价值。