Electronically Adjustable Bandpass Filter

103 Pages·2011·3.09 MB·English

by  Phillip Terblanche

Electronically Adjustable Bandpass Filter
by
Phillip Terblanche
Thesispresentedinpartialfulfilmentoftherequirementsforthedegreeof
MasterofScienceinEngineering
attheFacultyofEngineering,StellenboschUniversity
Supervisors:Prof. PetrieMeyerandDr. DirkdeVilliers
DepartmentofElectricalandElectronicEngineering
December2011
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
Declaration
By submitting this thesis electronically, I declare that the entirety of the work contained therein is my own,
originalwork,thatIamthesoleauthorthereof(savetotheextentexplicitlyotherwisestated),thatreproduction
and publication thereof by Stellenbosch University will not infringe any third party rights and that I have not
previouslyinitsentiretyorinpartsubmitteditforobtaininganyqualification.
December2011
Date: ............................................
Copyright©2011StellenboschUniversity
Allrightsreserved.
i
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
Abstract
Thisthesispresentsthestudy,analysisanddesignofelectronicallytunablefilters,thatcanbetunedoverawide
frequency range (20-500MHz), for use in a direct sampling receiver. The final design does not have to be a
single filter, but may be comprised of a filter bank which enables switching between the filters. The band of
interestistoolowtousenormaltransmissionlinesandlumpedelementshavetobeused. Differenttopologies
thatcanimplementCoupledResonatorfilterswithlumpedelementsareinvestigated. Devicesthatcanbeused
for tuning are also investigated and varactor diodes are found to be the most suitable tuning devices currently
available. Two filters, one at the high-end and one at the low-end of the band, were designed and built, both
usingvaractordiodes. Thesefiltersperformwellintermsoftuningrange,butachievinglowlosseswithcurrent
technologiesinthisbandremainsdifficult.
ii
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
Uittreksel
Hierdie tesis meld die studie, analise en ontwerp van elektronies verstelbare filters, wat verstelbaar is oor ’n
wyeband(20-500MHz),virgebruikin’ndirek-monster-ontvanger. Diefinaleontwerphoefnie’nenkelefilter
te wees nie, maar kan bestaan uit ’n filterbank wat skakeling tussen die filters toelaat. Die betrokke band is
te laag vir die gebruik van normale transmissielyne en diskrete komponente moet gebruik word. Verskillende
topologieëwatgekoppelderesoneerderfiltersimplementeermetdiskretekomponenteisondersoek. Verstelbare
komponentewordookondersoekenvaraktordiodesblykdiemeesgeskikteverstelbarekomponentwathuidig
beskikbaarisinhierdieband. Tweefilters,eenaandiehoëkanteneenaandielaekantvandieband,isontwerp
en gebou, beide met varaktor diodes. Hierdie filters het wye verstelbare bereik, maar dit is steeds moeilik om
verliesetebeperkmetdiehuidigetegnologie.
iii
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
Acknowledgements
Iwouldliketothankthefollowingpeopleandinstitutionsfortheircontributionstothisproject:
• Prof. P.MeyerandDr. D.deVilliersfortheirhelpandencouragement.
• WesselCroukampforbuildingmyfiltersandforhisfriendlyhelp.
• GrintekEwationforfundingthisproject.
• TheUniversityofStellenboschforusageoftheirfacilities.
• Mygirlfriend,Caroline,forhersupportandmotivation.
• Myfamily,fortheirsupportandprayers.
• DavidPrinsloo,ShamimOmar,DavidSmithandTheunisBeukmanfortheirsupportandadvice.
iv
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
Table of Contents
Declaration i
Abstract ii
Uittreksel iii
TableofContents v
ListofFigures viii
ListofTables xi
ListofAcronyms xii
1 Introduction 1
1.1 Filterrequirementsforsoftwaredefinedradio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Literatureoverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 ObjectivesandSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Thesislayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 CoupledResonatorFilterTheory 8
2.1 ModernFilterSynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 IdealImpedanceandAdmittanceInverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Invertersinalowpassprototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Bandpasstransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Resonators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Inter-resonatorCoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Inputandoutputcoupling(Q ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
e
2.5 CRFilterDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Designingfortunability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.1 Constantrelativebandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.2 Constantabsolutebandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
v
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
TABLEOFCONTENTS vi
3 FilterImplementationforTunability 19
3.1 Tunableresonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 ParallelLCtank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 Short-circuitedtransmissionlineloadedwithacapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.3 Parallel-seriesLCresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Implementationofinverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 Capacitorpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2 Inductorpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.3 CapacitorandInductorpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.4 Parallelcoupledtransmissionlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Couplingtunedresonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1 Capacitorpi-networkcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2 Inductor-Capacitorpi-networkcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3 Parallelcoupledtransmissionlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Couplingtosourceandload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Non-idealcomponents 37
4.1 Lumpedelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Transmissionlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Componentsfordiscretetuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1 PINdiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.2 RFsemiconductorswitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.3 RFMEMSswitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 Componentsforcontinuoustuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1 Varactordiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.2 YIGcrystalresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.3 RFMEMSvaractors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Filterdesign 47
5.1 Prototypeswithsharpcut-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1 Ellipticprototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.2 Chebyshevprototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Minimisinginsertionloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1 UnloadedQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.2 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.3 Filterorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.4 Minimizingthelossofvaractorsdiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3 Designingbandwidthandorderforcut-offspecification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4 Lowsidefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.1 Filterdesignprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
TABLEOFCONTENTS vii
5.4.2 Implementingthedesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4.3 PCBdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.4 SimulationsandMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5 Highsidefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.1 Filterdesignprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.2 Implementationofinter-resonatorcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.3 SimulationsandMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 Conclusionsandrecommendations 70
6.1 Recommendedfilterbankdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Futurework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A LumpedElementInverterImplementations 73
B Selectedinformationfromdatasheets 75
B.1 Transmissionlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
B.1.1 Trans-Tech™ceramicresonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
B.1.2 Micro-coaxsemi-rigidline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
B.1.3 SRCsemi-rigidlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
B.2 Passivelumpedelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
B.2.1 Coilcraft®Microspring™aircoreinductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
B.2.2 AVXMicrowaveMLCC0G(NP0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
B.3 Varactordiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
B.3.1 NXPBB179 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
B.4 RFswitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
B.4.1 RandantMEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
C Numericalcomputation 83
D Digitalcontrolsystemschematics 84
ListofReferences 88
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
List of Figures
1.1 Theoriginalspectrumandtheshiftedreplicas[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Allowed and forbidden sampling rates for bandpass signals. The shaded regions indicate sample
ratesforbandpasssignalsthatwillnotcausealiasing[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Lowpassladderprototypenetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Theinputimpedanceandinputadmittanceofloadedimpedanceandadmittanceinverters . . . . . 9
2.3 Theworkingofaninverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Coupledresonatorlowpassprototypenetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Coupledresonatorbandpassprototypewithadmittanceinverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6 Two-portcouplingwithmutualcapacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Capacitivecouplingbetweentwocapacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.8 CoupledparallelLCresonatorscoupled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.9 Frequencyresponseofthecircuitinfigure2.8fordifferentcouplingcoefficientvalues . . . . . . 15
2.10 FrequencyresponseshowingtheeffectofdifferentexternalQvalues . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.11 CRbandpassprototypeusingadmittanceinverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1 Susceptanceofthecapacitor,ω C,andnegativeofthetransmissionlinesusceptance,−Y cot(ω T)/ω .
0 0 0 0
Thecircuitresonatesattheintersectionpointofthetwocurves,whichrepresentzerosusceptance. 21
3.2 LCcircuitwithparallelandseriesresonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Theadmittanceofaparallel-series-typeresonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Pi-networkofadmittances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 Capacitorpi-networkinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.6 Comparisonbetweenanidealinverter,acapacitor-piinverterandinductor-piinverter . . . . . . . 24
3.7 Inductorpi-networkinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.8 CLCpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.9 Comparisonofinductorandinductor-capacitorpi-networkinverters . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.10 Parallelcoupledtransmissionlinesandequivalentcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.11 Tworesonatorscoupledwithparalleltransmissionlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.12 Comparisonofparallelcoupledshort-circuitedstubswithdifferentelectricallengths . . . . . . . 28
3.13 LCresonatorscoupledwithcapacitorpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.14 Shortcircuitedtransmissionlinescoupledwithcapacitorpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . 29
viii
Stellenbosch University http://scholar.sun.ac.za
LISTOFFIGURES ix
3.15 Frequency dependence of coupling between short-circuited transmission lines with capacitor pi-
networkintherange π ≤θ ≤ π . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6 0 2
3.16 LCresonatorscoupledwithinductor-capacitorpi-network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.17 Shortcircuitedtransmissionlinecoupledwithinductor-capacitorpi-network . . . . . . . . . . . . 31
3.18 Frequencydependenceofcouplingbetweenshort-circuitedtransmissionlineswithinductor-capacitor
pi-networkintherange π ≤θ ≤ π . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6 0 2
3.19 Parallelcoupledshortcircuitedtransmissionlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.20 Couplingcoefficientbetweentworesonatorsofacomblinefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.21 Seriesandparallelequivalentimpedancetransformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.22 ImpedancetransformercoupledtoLC-resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1 Tunableresonatorthatcanbeadjustedtofourdiscreteresonantfrequencies . . . . . . . . . . . . 39
4.2 SeriesresistancevsforwardcurrentforSkyworksSMP1322PINdiode(measuredat100MHz) . 40
4.3 Single-polePINdiodeswitchesin(a)seriesconfigurationand(b)shuntconfiguration . . . . . . . 41
4.4 Single-pole,triplethrow,PINdiodecompoundswitchwithdiodesintheRFpath(seriesconfigur-
ation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5 MEMS series switch configurations, broadside with (a) one electrode, (b) two electrodes, and (c)
anin-lineswitch[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.6 Typicalvoltage-capacitancecurvesforvaractordiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.7 Seriesresistancevs. biasingvoltageoftheM/A-COMMA4ST1300Series. . . . . . . . . . . . . 44
4.8 MEMSshuntswitchtoimplementvariablecapacitor[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1 Exampleofcircuitwithmanycrosscouplingpaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Tripletandquadrupletcouplingconfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3 EllipticfilterimplementedwithaquadrupletandcomparedwithafourthorderChebyshevfilter . 48
5.4 ComparisonoflosslessresponseandfilterswithfiniteQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
u
5.5 Effectofbandwidthonpassbandloss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.6 Comparisonoftheinsertionlossatthecentrefrequencyoffilterswithdifferentorder . . . . . . . 51
5.7 Maximumabsolutebandwidthtomeetspecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.8 RequiredunloadedresonatorQtomeetinsertionlossspecificationwhenusingthemaximumband-
width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.9 Fourthorderfilterprototypewithinductor-capacitorpi-networkinvertersandLCresonators . . . 53
5.10 Capacitortuningcurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.11 Varactorbiasingcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.12 MeasuredanddatasheetcapacitanceofBB201varactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.13 Improvementoffilterresponseafteraddingviasingroundplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.14 Photoofthefilter,scale1:1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.15 MWOcircuitsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.16 Measurementsandsimulatedresultsforfiltertunedto f =23MHz, f =39MHzand f =54MHz 60
0 0 0
5.17 Effectofdifferentfilterorderonpassbandinsertionloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.18 SingleresonatorassimulatedinAWR®MicrowaveOffice®(MWO) . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.19 Resonatorcapacitortuningcurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64