CN110767963B

CN110767963B - 一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器

Info

Publication number: CN110767963B
Application number: CN201910865886.9A
Authority: CN
Inventors: 游彬; 赵国凯; 高坤坤; 俞梦缘
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: CN110767963A

Abstract

本发明涉及一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器。本发明引入了一种忆阻器调控电路，可以有效避免忆阻器调控电压对整体电路测试的干扰。同时本发明提出一种利用具有宽调谐范围的忆阻器作为基础并且通过控制调控电压能够实现滤波器通带可重构的射频滤波器结构。加载的忆阻器拥有低功耗、高频下极好线性度等优点，迎合了现代射频通信系统的发展需求。忆阻器尺寸小的特点为缩小整体电路尺寸带来了优势，同时加载的忆阻器能够实现射频滤波器中多模式切换的功能。

Description

一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术及忆阻器技术的交叉领域，具体涉及一种能够通过调节加载的忆阻器实现通带可重构的射频滤波器。

背景技术

随着21世纪无线通信技术的迅速发展，可重构射频滤波器作为射频前端不可或缺的一部分，近些年来越来越受到相关研究者的重视。目前射频滤波器的可重构方式主要是通过变容二极管、PIN二极管、MEMS开关等器件来进行调谐。变容二极管、PIN二极管、MEMS开关等器件只能调节滤波器的中心频率或带宽，而且调谐器件的持续性供电会造成整体电路的功耗增大。由于当前频谱资源愈发稀缺，通过滤波器通带选择性可重构的方式可以充分利用频谱资源，同时忆阻器的尺寸小、功耗低等优点迎合了现代通信电路的发展需求，因此将忆阻器应用到射频滤波器中以实现该新型可重构的方式成为了一种必然的趋势。

忆阻器是一种二端无源的非线性电子元件，自从HP实验室在物理层面上实现了忆阻器以后，忆阻器在很多领域得到了应用。忆阻器具有非易失性，高频下良好的线性度，低功耗以及尺寸小等优点，这些都为忆阻器在射频电路中的应用提供了多种可能。目前基于SPICE的忆阻器建模技术已经比较成熟，但能够通过调节忆阻器实现射频滤波器中通带选择性可重构的应用还是比较少的。为此，本发明从蔡少堂教授提出的M-R突变器的实现方式出发，设计了一款宽调谐范围的忆阻器。同时，本发明在一个双频带通滤波器的基础上加载了忆阻器以及忆阻器阻值调控电路，通过调节加载的忆阻器来实现对滤波器中通带开闭的控制。该调谐方式在一定程度上缓解频谱资源的拥挤问题。研究基于忆阻器的新型可重构带通滤波器，实现了射频滤波器的多模式切换功能，并在一定程度上拓宽了滤波器的可重构方式。因此研究和探索忆阻器在射频滤波器中的应用具有十分重大的意义。

发明内容

本发明针对所要解决的技术问题是：提出一种新型的低功耗，高稳定性且外部调谐器件尺寸较小的基于忆阻器的新型射频滤波器。所以本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可以通过调节忆阻器的阻值实现射频滤波器多模式切换的方案。基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器，能够通过外部特定频率的调控电压改变忆阻器阻值，从而实现对滤波器中通带开闭的控制。该滤波器的多模式切换方案能够对通带进行选择性可重构，在一定程度上能够缓解频带拥挤的问题，符合现代无线通信系统的发展需求。

基于忆阻器的新型可重构射频滤波器，包括双频带通滤波器、两个忆阻器、四个单刀双掷开关；单刀双掷开关SPDT2的3端口加载在双频带通滤波器中产生低频通带的合适位置A，SPDT2的1端口分别与忆阻器M1的一端和单刀双掷开关SPDT1的2端口相连，SPDT2的2端口悬空；忆阻器M1的另一端接地；单刀双掷开关SPDT1的1端口用以接入调控电压，3端口悬空；单刀双掷开关SPDT4的3端口加载在双频带通滤波器中产生高频通带的合适位置B，SPDT4的1端口分别与忆阻器M2的一端和单刀双掷开关SPDT3的2端口相连，SPDT4的2端口悬空；忆阻器M2的另一端接地；单刀双掷开关SPDT3的1端口用以接入调控电压，3端口悬空；通过分别调节忆阻器M1和M2的阻值实现打开或关断滤波器中的低频和高频通带。

单刀双掷开关SPDT1、SPDT2和忆阻器M1构成忆阻器M1的阻值调控电路。当单刀双掷开关SPDT1和SPDT2均处于“0”状态(即1脚和2脚连接)，通过调控忆阻器M1的输入电压(即V₁＝sin(2π*10⁷t)，t代表电压的输入时间)对忆阻器M1进行控制，从而控制忆阻器M1到所需要的忆阻值。忆阻器M2的阻值调控电路(由单刀双掷开关SPDT3、SPDT4和忆阻器M2构成)的调控方式和忆阻器M1的控制方式相同。当单刀双掷开关SPDT1、SPDT2、SPDT3和SPDT4均处于“1”状态(即1脚和3脚连接)时，单刀双掷开关切断了调控电压与滤波器之间的连接，可以有效避免调控电压的干扰影响。同时由于忆阻器存在非易失性，忆阻器会保持阻值不变，在单刀双掷开关均处于“1”状态下可以测试该新型可重构双频滤波器在各种模式下的S参数仿真图。

合适位置A、B的获取方法是：基于HFSS仿真软件，在双频带通滤波器的基础上充分考虑滤波器的结构特点，选择在输入馈线相邻的枝节线上加载电阻片模拟忆阻器进行模拟仿真。对于位置A的选择，当电阻片处于低阻状态且忆阻器M2未加载的情况下，通过调整电阻片在枝节线上的位置，低频通带具有较好的关闭效果并对高频通带的影响较小时的位置就是合适位置A。合适位置B的获取与合适位置A获取的方法一致。

忆阻器中引入窗口函数i_out*(1-i_out)使得忆阻器出现了硬开关特性。调节R_off、R_on和V₀等忆阻器模型参数以扩大忆阻器的阻值调节范围。其中R_off和R_on分别代表忆阻器在内部掺杂浓度最低及最高时候的理论极限阻值，即为理论最大值和最小值，可人为设定。V₀代表的是电容器C的初始积分电压(即电容器C不接地的一端处初始积分电压，V₀的取值为0.7277V)。t为时刻。

忆阻器的阻值由状态变量i_out决定，那么忆阻器最终的表达式为：

M＝R_off+(R_on-R_off)i_out

通过调控忆阻器两端的输入电压(频率10MHZ，幅度1V的正弦波)进而调控忆阻器的忆阻值，实现滤波器的多模式切换。忆阻值随调控电压而变化，通过控制调控电压的输入时间可以调节忆阻器到所需要的忆阻值。当忆阻器M1＝M2＝27kΩ时(即M1、M2均处于高阻状态)，滤波器存在二个通带；当忆阻器M1＝50Ω、M2＝27kΩ时(即M1处于低阻状态、M2处于高阻状态)，滤波器只有一个高频通带，低频通带关闭；当忆阻器M1＝27kΩ、M2＝200Ω时(即M1处于高阻状态、M2处于低阻状态)，滤波器只有一个低频通带，高频通带关闭；当忆阻器M1＝M2＝35Ω时(即M1、M2均处于低阻状态)，滤波器的二个通带均被关闭。通过分别调节忆阻器M1和M2控制二个通带的开闭，从而实现了射频滤波器中多模式切换的功能，在一定程度上拓宽了滤波器的可重构方式。

目前存在的忆阻器模型的忆阻值范围过小，不能满足滤波器通带可重构的设计需求。该发明引入了调控电路，可以有效避免忆阻器调控电压对整体电路测试的干扰。忆阻器采用了窗口函数i_out*(1-i_out)使得忆阻器出现了硬开关特性。同时忆阻器调谐范围大(忆阻值范围为2Ω-27.2kΩ，)、适用性比较强，为新型可重构双频带通滤波器的设计提供了新思路。

附图说明

图1为带调控电路的滤波器结构；

图2忆阻器的SPICE模型；

图3忆阻器阻值随调控电压变化的关系；

图4在调控电压下，通过忆阻器的电流及其忆阻特性；

图5该可重构滤波器在各种模式下的S参数仿真图；

其中M1为控制双频带中较低频段的忆阻器，M2为控制双频带中较高频段的忆阻器；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作更进一步的详细说明。

本实施例中采用的基于忆阻器的可重构带通滤波器与以往滤波器中的可重构方式都不同，以下相关计算与分析均基于完整的射频滤波器结构。

如图1所示，该发明在双频带通滤波器的基础上加载了两个忆阻器M1和M2。该发明主要包括双频带通滤波器、两个忆阻器、四个单刀双掷开关；单刀双掷开关SPDT2的3端口加载在双频带通滤波器中产生低频通带的合适位置A，SPDT2的1端口分别与忆阻器M1的一端和单刀双掷开关SPDT1的2端口相连，SPDT2的2端口悬空；忆阻器M1的另一端接地；单刀双掷开关SPDT1的1端口用以接入调控电压，3端口悬空；单刀双掷开关SPDT4的3端口加载在双频带通滤波器中产生高频通带的合适位置B，SPDT4的1端口分别与忆阻器M2的一端和单刀双掷开关SPDT3的2端口相连，SPDT4的2端口悬空；忆阻器M2的另一端接地；单刀双掷开关SPDT3的1端口用以接入调控电压，3端口悬空；通过分别调节忆阻器M1和M2的阻值实现打开或关断滤波器中的低频和高频通带。加载的忆阻器与双频带通滤波器构成了通带可调谐的结构，通过忆阻器在滤波器中的有损特性完成对滤波器中通带开闭的控制，在一定程度上拓宽了射频滤波器的可重构方式。

单刀双掷开关SPDT1、SPDT2和忆阻器M1构成忆阻器M1的阻值调控电路。当单刀双掷开关SPDT1和SPDT2均处于“0”状态(即1脚和2脚连接)，通过调控忆阻器M1的输入电压(即V₁＝sin(2π*10⁷t)，t代表电压的输入时间)对忆阻器M1进行控制，从而控制忆阻器M1到所需要的忆阻值。忆阻器M2的阻值调控电路(由单刀双掷开关SPDT3、SPDT4和忆阻器M2构成)的调控方式和忆阻器M1的控制方式相同。当单刀双掷开关SPDT1、SPDT2、SPDT3和SPDT4均处于“1”状态(即1脚和3脚连接)时，单刀双掷开关SPDT1和SPDT3处断路，而SPDT2和SPDT4处短路。此时单刀双掷开关有效切断了调控电压与滤波器之间的连接，可以避免调控电压的干扰影响。由于忆阻器具有非易失性，忆阻器会保持阻值不变，在单刀双掷开关均处于“1”状态下(调控电路停止工作)可以测试该新型可重构双频滤波器在各种模式下的S参数仿真图。同时得保证每次调控电压的初始状态是上一次调控电路停止工作时调控电压的最终状态。

如图2所示，所述的忆阻器模型由端口模型电路和积分模型电路构成。积分模型电路包括电流源G_x、电容器C、电压源E₁、电阻R₁；电流源G_x的负极接地，正极接电容器C的一端(即电流源与电容器C并联)，电容器C的另一端接地，此处的电容C对电流源G_x的输出电流进行积分；电容器C不接地的一端积分得到积分电压实时反馈到电压源E₁；电压源E₁的负极接地，正极与电阻R₁的一端相连，电阻R₁的另一端接地；电流源G₁的输出i_out为通过电阻R₁的实时电流。端口模型电路包括定值电阻R₂、电压源E_res。电压源E_res的负极接地，正极接定值电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端与和双频带通滤波器直接相连的单刀双掷开关的1端口相连；

假设该积分模型电路中电流源G_x输出的电流为i_in，那么积分模型电路的输出i_out可表示为：

其中V₀代表的是积分电容C的初始积分电压(即电容器C不接地的一端处初始积分电压，V₀的取值为0.7277V)，电容器C的电容值为C，电阻器R₁的阻值为R₁。

本发明中采用的忆阻器的数学模型为：

v＝(R_off+(R_on-R_off)i_out)i

x＝i_out

v代表忆阻器端口电压，R_off和R_on分别代表忆阻器在内部掺杂浓度最低及最高时候的理论极限阻值，即为理论最大值和最小值，可人为设定。其中定值电阻R₂的阻值为R_off。i表示输入忆阻器的电流，x代表忆阻器的状态变量(即通过电阻R₁的实时电流i_out)，k是一个常量(即k＝10¹²)。

附图3所示，忆阻器阻值主要受调控电压的影响。通过调节忆阻器两端电压(频率10MHZ，幅度1V的正弦波)进而调控忆阻器的忆阻值，从而实现滤波器的多模式切换。忆阻器阻值范围为2Ω-27.2kΩ，忆阻值的调控周期与调控电压的变化周期一致，所以通过控制调控电压的输入时间可以调节忆阻器到所需要的阻值。由于忆阻器具有非易失性，当调控电路不再工作的情况下，忆阻器保持之前的阻值不变。

附图4所示，通过调控电压对忆阻器进行调节时，忆阻器的电流出现了突变，体现了忆阻器具有较好的硬开关特性。突变的电流也会使得忆阻器的调谐范围变大(忆阻调节范围为2Ω-27.2kΩ)，在一定程度上提高了忆阻器的适用性，满足了滤波器通带可重构的设计需求。

附图5所示，本发明通过调节忆阻器来控制滤波器中的通带选择性可重构，从而实现射频滤波器的多模式切换功能。其中忆阻器M1控制双频带中较低频段，忆阻器M2控制双频带中较高频段。图5(a)，(b)，(c)，(d)分别代表基于忆阻器的双频带通滤波器中的四种不同切换模式。当忆阻器M1＝M2＝27kΩ时(即M1、M2均处于高阻状态)，滤波器存在二个通带；当忆阻器M1＝50Ω、M2＝27kΩ时(即M1处于低阻状态、M2处于高阻状态)，滤波器只有一个高频通带，低频通带关闭；当忆阻器M1＝27kΩ、M2＝200Ω时(即M1处于高阻状态、M2处于低阻状态)，滤波器只有一个低频通带，高频通带关闭；当忆阻器M1＝M2＝35Ω时(即M1、M2均处于低阻状态)，滤波器的二个通带均被关闭。通过分别调节忆阻器M1和M2控制二个通带的开闭从而实现射频滤波器中多模式切换，在一定程度上拓宽了滤波器的可重构方式。

本发明引入了调控电路，可以有效避免忆阻器调控电压对整体电路测试的干扰。同时本发明将一种具有宽调谐范围的忆阻器应用到双频带通滤波器中，从而实现了滤波器多模式切换功能，拓宽了滤波器可重构的方式。忆阻器具有的非易失性、低功耗以及尺寸小等优势为忆阻器在射频滤波器中应用提供了多种可能。同时双频带通滤波器的折叠式结构以及较小尺寸的调谐器件(忆阻器)为缩小整体电路尺寸带来了优势。

Claims

1.一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器，其特征在于包括双频带通滤波器、两个忆阻器、四个单刀双掷开关；单刀双掷开关SPDT2的3端口加载在双频带通滤波器中产生低频通带的合适位置A，SPDT2的1端口分别与忆阻器M1的一端和单刀双掷开关SPDT1的2端口相连，SPDT2的2端口悬空；忆阻器M1的另一端接地；单刀双掷开关SPDT1的1端口用以接入调控电压，3端口悬空；单刀双掷开关SPDT4的3端口加载在双频带通滤波器中产生高频通带的合适位置B，SPDT4的1端口分别与忆阻器M2的一端和单刀双掷开关SPDT3的2端口相连，SPDT4的2端口悬空；忆阻器M2的另一端接地；单刀双掷开关SPDT3的1端口用以接入调控电压，3端口悬空；通过分别调节忆阻器M1和M2的阻值实现打开或关断滤波器中的低频和高频通带；

通过调控忆阻器两端的输入电压进而调控忆阻器的忆阻值以控制对应的通带可重构，从而实现滤波器的多模式切换功能；

位置A、B的获取方法是：基于HFSS仿真软件，在双频带通滤波器的基础上充分考虑滤波器的结构特点，选择在输入馈线相邻的枝节线上加载电阻片模拟忆阻器进行模拟仿真；对于位置A的选择，当电阻片处于低阻状态且忆阻器M2未加载的情况下，通过调整电阻片在枝节线上的位置，低频通带具有较好的关闭效果并对高频通带的影响较小时的位置就是合适位置A；合适位置B的获取与合适位置A获取的方法一致。

2.如权利要求1所述的一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器，其特征在于单刀双掷开关SPDT1、SPDT2和忆阻器M1构成忆阻器M1的阻值调控电路；当单刀双掷开关SPDT1和SPDT2均处于“0”状态，通过调控忆阻器M1的输入电压对忆阻器M1进行调控，从而控制忆阻器M1到所需要的忆阻值，其中“0”状态表示1脚和2脚连接；由单刀双掷开关SPDT3、SPDT4和忆阻器M2构成忆阻器M2的阻值调控电路，其阻值调控方式和忆阻器M1的控制方式相同；当单刀双掷开关SPDT1、SPDT2、SPDT3和SPDT4均处于“1”状态时，单刀双掷开关切断了调控电压与滤波器之间的连接，有效避免调控电压的干扰影响，“1”状态表示1脚和3脚连接；同时由于忆阻器存在非易失性，忆阻器会保持阻值不变，在单刀双掷开关均处于“1”状态下可以测试该新型可重构双频滤波器在各种模式下的S参数仿真图。

3.如权利要求2所述的一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器，其特征在于当忆阻器M1、M2均处于高阻状态，滤波器存在二个通带；当忆阻器M1处于低阻状态、M2处于高阻状态，滤波器只有一个高频通带，低频通带关闭；当忆阻器M1处于高阻状态、M2处于低阻状态，滤波器只有一个低频通带，高频通带关闭；当忆阻器M1、M2均处于低阻状态，滤波器的二个通带均被关闭。

4.如权利要求1所述的一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器，其特征在于忆阻器中引入的窗口函数i_out*(1-i_out)使得忆阻器拥有明显的硬开关特性；其中i_out为忆阻器内部积分模型电路的输出；忆阻器的阻值由状态变量i_out决定，那么忆阻器最终阻值的表达式为：

M＝R_off+(R_on-R_off)i_out

其中，R_off和R_on分别代表忆阻器在内部掺杂浓度最低及最高时候的理论极限阻值，即为理论最大值和最小值，可人为设定。

5.如权利要求1所述的一种基于忆阻器的新型可重构双频带通滤波器，其特征在于忆阻器两端的输入电压为频率10MHZ，幅度1V的正弦波。