CN109687067A - 一种用于全可调带通滤波器的耦合结构 - Google Patents

Abstract

一种用于全可调带通滤波器的耦合结构，属于射频器件领域。耦合结构包括左右对称设置的两个环形结构的谐振器，谐振器包括接地金属结构、介质结构和微带结构，微带结构包括第一可调电容、第二可调电容、接在第一可调电容一端和第二可调电容一端的第一微带线、接在第一可调电容另一端和第二可调电容另一端的第二微带线；两个谐振器的第二微带线相互靠近形成磁耦合区域。通过动态调节第一可调电容、第二可调电容的容值能够调控耦合结构构成的可调滤波器的通带中心频率；通过动态调节第一可调电容和第二可调电容的比例可以调控耦合结构构成的可调滤波器在特定通带频率下的通带带宽，实现的全可调滤波器具有较低的损耗以及较小的设计布局难度。

Description

一种用于全可调带通滤波器的耦合结构

技术领域

本发明属于射频器件领域，具体涉及到一种能够用于全可调滤波器的微带谐振器耦合结构。

背景技术

射频可调微带滤波器作为一种射频信号处理的基本器件，广泛应用于无线通信系统中。当前大多数可调滤波器只能调谐中心频率或者带宽之一，迫切需要发展通带中心频率和带宽全可调的滤波器。

全可调滤波器能够同时调谐中心频率与带宽。一些文献中也提供了相应的全可调滤波器的设计方法。在[1]Y.C.Chiou and G.M.Rebeiz,"Tunable 1.55-2.1GHz 4-PoleElliptic Bandpass Filter With Bandwidth Control and>50dB Rejection forWireless Systems,"IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.61,pp.117-124,2013.与[2]A.Anand and X.Liu,"Reconfigurable PlanarCapacitive Coupling in Substrate-Integrated Coaxial-Cavity Filters,"IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.64,pp.2548-2560,2016.与[3]C.Chen,et al.,"Microstrip Switchable and Fully Tunable Bandpass FilterWith Continuous Frequency Tuning Range,"IEEE Microwave and WirelessComponents Letters,vol.28,pp.500-502,2018.中，均通过在谐振器之间直接加载可调电容，使得耦合系数可以通过调节电容值而改变，从而达到调控带宽的目的，然而，这种通过在谐振器之间的耦合区域加载电容的方式极可能大大增加滤波器整体的损耗。并且在设计高阶的、交叉耦合的全可调滤波器时，由于电容需要偏置电路，布局的难度也会增加。

一些文献也提供了新型谐振器用于解决这一问题。例如[4]Z.Chen and Q.Chu,"Wideband Fully Tunable Bandpass Filter Based on Flexibly Multi-Mode Tuning,"IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.26,pp.789-791,2016.等中就使用了多模谐振器。多模谐振器本身结构较为复杂，并且不易于用高阶、交叉耦合滤波器的设计。

在国家自然科学基金项目(61771408)资助研究下，本发明提供一种新型带谐振器耦合结构，基于此的全可调滤波器可避免使用多模谐振器、避免谐振器之间直接加载耦合电容，减小了滤波器的损耗，降低了设计、布线难度。

发明内容

针对上述全可调滤波器由于在谐振器之间加载电容导致的滤波器损耗增加和布局难度增大、以及使用多模谐振器时存在的结构复杂、不易于高阶交叉耦合滤波器的设计的问题，本发明提出一种微带谐振器构成的耦合结构，基于本发明提出的耦合结构的全可调滤波器的耦合谐振器之间不需要加载耦合电容，能够降低滤波器的损耗、设计与布线难度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种用于全可调带通滤波器的耦合结构，所述耦合结构包括左右对称设置的两个环形结构的谐振器；所述谐振器包括接地金属结构、附着在所述接地金属结构上的介质结构和附着在所述介质结构上的微带结构，所述微带结构包括第一可调电容、第二可调电容、接在第一可调电容一端和第二可调电容一端的第一微带线、接在第一可调电容另一端和第二可调电容另一端的第二微带线；所述两个谐振器的第二微带线相互靠近形成磁耦合区域。

具体的，所述谐振器的第一可调电容和第二微带线之间还依次换串联有第三微带线和隔直电容。

具体的，所述第一可调电容、第二可调电容和隔直电容均包括多个并联的电容器。

本发明的工作原理为：

本发明提出的耦合结构将加载两个可调电容的微带谐振环互相靠近、对称放置，形成特定的耦合结构，通过动态调节两个谐振器中第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2的容值，能够实现此耦合结构中心频率的调控；通过动态调节第一谐振器中第一可调电容A1和第二可调电容A2的比例，以及第二谐振器中第一可调电容B1和第二可调电容B2比例，能够实现耦合结构在特定频率下的耦合系数的调控。根据调控谐振器中可调电容的大小及其比例调控耦合结构的中心频率和耦合系数的原理，将本发明提出的耦合结构应用于全可调滤波器时，能够调谐全可调滤波器的中心频率与带宽。

本发明的有益效果为：通过动态调节第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2的容值，能够调控耦合结构构成的可调滤波器的通带中心频率；通过动态调节第一可调电容A1和第二可调电容A2的比例，以及第一可调电容B1和第二可调电容B2比例，可以调控此耦合结构构成的可调滤波器在特定通带频率下的通带带宽，从而实现全可调滤波器；所实现的全可调滤波器规避了传统全可调滤波器中耦合谐振器之间的耦合电容，降低了滤波器的损耗与设计、布局难度、器件成本。

附图说明

图1是本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构在实施例一中的结构示意图。

图2(a)、图2(b)是本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构中可调电容的电容值与中心频率、耦合系数的关系示意图。

图3是基于本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构设计的全可调二阶带通滤波器的结构示意图。

图4是基于本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构设计的全可调二阶带通滤波器的的频率响应图。

图5是基于本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构设计的全可调三阶带通滤波器的结构示意图。

图6是基于本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构设计的全可调三阶带通滤波器的频率响应图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一

如图1所示是本发明提出的一种用于全可调带通滤波器的耦合结构在实施例一中包括隔直电容的结构示意图，包括左右对称设置的第一谐振器和第二谐振器，耦合结构包括上层的金属微带结构、中间层的介质结构和下层的接地金属，上层的金属微带结构附着在中间层的介质结构上，中间层的介质结构的下面附着着下层的接地金属上。

第一谐振器中A1和A2为第一可调电容和第二可调电容，A3、A4和A5分别为第一微带线、第二微带线和第三微带线，A6为隔直电容，第一可调电容A1的第一端连接第一微带线A3的第一端，第一可调电容A1的第二端连接第三微带线A5的第一端；第二可调电容A2的第一端连接第一微带线A3的第二端，第二可调电容A2的第二端连接第二微带线A4的第一端；隔直电容A6的第一端连接第三微带线A5的第二端，隔直电容A6的第二端连接第二微带线A4的第二端。

同样的，第二谐振器中B1和B2为第一可调电容和第二可调电容，B3、B4和B5分别为第一微带线、第二微带线和第三微带线，B6为隔直电容，第一可调电容B1的第一端连接第一微带线B3的第一端，第一可调电容B1的第二端连接第三微带线B5的第一端；第二可调电容B2的第一端连接第一微带线B3的第二端，第二可调电容B2的第二端连接第二微带线B4的第一端；隔直电容B6的第一端连接第三微带线B5的第二端，隔直电容B6的第二端连接第二微带线B4的第二端。两个微带谐振器对称、靠近放置，两个谐振器中的第二微带线A4和B4的部分或全部相互靠近形成磁耦合区域。

进一步的是，在本发明所述的谐振器中，第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2、隔直电容A6和B6均可包含一个以上的多个并联的电容器。并且当第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2采用不需要直流偏置的电容器，或是采用CMOS数字调控电容、背靠背变容二极管等无直流馈通风险的可调电容时，可以移除隔直电容A6和B6，将第二微带线A4的第二端和第三微带线A5的第二端直接连接，将第二微带线B4的第二端和第三微带线B5的第二端直接连接；或直接移除隔直电容A6、B6和第三微带线A5、B5，将第二微带线A4第二端连接第一可调电容A1的第二端，第二微带线B4第二端连接第一可调电容B1的第二端。

本发明提出的耦合结构的中心频率范围是根据组成其的器件决定，实施例一中，将中心频率在0.732GHz–1.339GHz的调节范围内的耦合结构制作在相对介电常数为2.65、损耗因子为0.001、厚度0.8mm的介质基板上。

中心频率0.739GHz-1.384GHz的调节范围的耦合结构如图1所示。其中第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2采用SKYWORKS公司的SMV1405-079C，其单个可变范围为0.63～2.67pF。隔直电容A6和B6采用ATC公司的600S470，标称值为47pF。

图2所示(a)(b)所示分别是本实施例中耦合结构的两个可调电容电容值与中心频率、耦合系数的关系。其中由于要求两个谐振器对称设置，两个谐振器中第一可调电容A1和B1的电容值相等，记为Cap1；两个谐振器中第二可调电容A2和B2的电容值相等，记为Cap2。如图2(a)所示，本实施例的耦合结构的中心频率在0.739GHz到1.384GHz变化。并且比较电容与中心频率的关系和电容与耦合系数的关系，图2(b)可以看出，在中心频率不变时，可以改变耦合结构的耦合系数，这十分适用于全可调滤波器的设计。

实施例二

本实施例中将本发明的耦合结构构成如图3所示的二阶可调滤波器，包括上层的金属微带结构，中间层的介质结构，下层的接地金属；中间层的介质结构上面附着着上层的金属微带结构，中间层的下面附着着下层的接地金属。

上层金属微带结构由实施例一所示的耦合结构的微带结构和馈线构成，包括第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2、第三可调电容A10和B10，第一微带线A3和B3、第二微带线A4和B4、第三微带线A5和B5、第四微带线A7和B7、第五微带线A8和B8，第一隔直电容A6和B6、第二隔直电容A9和B9。耦合结构的第一谐振器中，第一可调电容A1的第一端连接第一微带线A3的第一端，第一可调电容A1的第二端连接第三微带线A5的第一端；第二可调电容A2的第一端连接第一微带线A3的第二端，第二可调电容A2的第二端连接第二微带线A4的第一端；第一隔直电容A6的第一端连接第三微带线A5的第二端，第一隔直电容A6的第二端连接第二微带线A4的第二端。耦合结构的第二谐振器中，第一可调电容B1的第一端连接第一微带线B3的第一端，第一可调电容B1的第二端连接第三微带线B5的第一端；第二可调电容B2的第一端连接第一微带线B3的第二端，第二可调电容B2的第二端连接第二微带线B4的第一端；第一隔直电容B6的第一端连接第三微带线B5的第二端，第一隔直电容B6的第二端连接第二微带线B4的第二端。两个谐振器靠近、轴对称排布，第二微带线A4与B4的相互靠近的部分形成磁耦合区域。第四微带线A7的第一端接二阶可调滤波器的第一输入输出端口，第四微带线A7的第二端接第二隔直电容A9的第一端。第二隔直电容A9的第二端接第五微带线A8的第一端。第五微带线A8的第二端接第三可调电容A10的第一端。第三可调电容A10的第二端通过过孔接地。第四微带线B7的第一端接二阶可调滤波器的第二输入输出端口，第四微带线B7的第二端接第二隔直电容B9的第一端。第二隔直电容B9的第二端接第五微带线B8的第一端。第五微带线B8的第二端接第三可调电容B10的第一端。第三可调电容B10的第二端通过过孔接地。第五微带线A8的部分与第一微带线A3靠近，从而与第一谐振器耦合；第五微带线B8的部分与第一微带线B3靠近，从而与第二谐振器耦合。

在实施例二中，二阶全可调滤波器制作在相对介电常数为2.65、损耗因子为0.001、厚度0.8mm的介质基板上。本实施例中滤波器使用实例一中的全可调谐振器耦合结构，并且第一可调电容A1和B1、第二可调电容A2和B2、第三可调电容A10和B10是采用了SKYWORKS公司的SMV1405-079C，其单个可变范围为0.63～2.67pF。第一隔直电容A6和B6、第二隔直电容A9和B9采用的是ATC公司的600S470，标称值为47pF。

图4所示的是本实施例中滤波器在可调电容取不同值的状态下的仿真传输特性图，横轴表示频率，纵轴表示传输特性|S₂₁|，其中中心频率相等的一组实线和一组虚线表示不同的带宽，其中实线状态下的带宽比虚线状态下的更宽，两边的两组实线状态是在中心频率调到最大和最小时的情况，此时带宽难以调节只剩下实线的情况。由图4可以看出，本实施例提出的滤波器拥有0.732GHz-1.339GHz的频率调节范围，其绝对带宽可以在保证中心频率不变的情况下调节。在图4展示的几种状态下，通带最小插入损耗在1.3dB–2.2dB范围变化。

实施例三

本实施例中将本发明的耦合结构构成如图5所示的三阶交叉耦合全可调滤波器，包括上层的金属微带结构，中间层的介质结构，下层的接地金属；中间层的介质结构上面附着着上层的金属微带结构，中间层的下面附着着下层的接地金属。

本实施例中三阶交叉耦合全可调滤波器包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和馈线，第一谐振器包括第一可调电容A1、第二可调电容A2、第一微带线A3、第二微带线A4、第三微带线A5、第一隔直电容A6，第二谐振器包括第一可调电容B1、第二可调电容B2、第一微带线B3、第二微带线B4、第三微带线B5、第一隔直电容B6，第三谐振器包括第一可调电容C1、第二可调电容C2、第一微带线C3、第二微带线C4、第三微带线C5、第一隔直电容C6，滤波器的上层金属微带结构还包括第四微带线A7和B7、第五微带线A8和B8、第二隔直电容A9和B9、第三可调电容A10和B10。

第一谐振器中，第一可调电容A1的第一端连接第一微带线A3的第一端，第一可调电容A1的第二端连接第三微带线A5的第一端；第二可调电容A2的第一端连接第一微带线A3的第二端，第二可调电容A2的第二端连接第二微带线A4的第一端；第一隔直电容A6的第一端连接第三微带线A5的第二端，第一隔直电容A6的第二端连接第二微带线A4的第二端。

第二谐振器中，第一可调电容B1的第一端连接第一微带线B3的第一端，第一可调电容B1的第二端连接第三微带线B5的第一端；第二可调电容B2的第一端连接第一微带线B3的第二端，第二可调电容B2的第二端连接第二微带线B4的第一端；第一隔直电容B6的第一端连接第三微带线B5的第二端，第一隔直电容B6的第二端连接第二微带线B4的第二端。

第三谐振器中，第一可调电容C1的第一端连接第一微带线C3的第一端，第一可调电容C1的第二端连接第三微带线C5的第一端；第二可调电容C2的第一端连接第一微带线C3的第二端，第二可调电容C2的第二端连接第二微带线C4的第一端；第一隔直电容C6的第一端连接第三微带线C5的第二端，第一隔直电容C6的第二端连接第二微带线C4的第二端。

第一谐振器和第二谐振器靠近、轴对称排布，第二微带线A4与B4相互靠近的部分形成磁耦合区域。第三谐振器中部分第一微带线C3与第一谐振器中部分第二微带线A4靠近，形成耦合区域；第三谐振器中部分第二微带线C4与第二谐振器中部分第二微带线B4靠近，形成耦合区域。第四微带线A7的第一端接三阶交叉耦合全可调滤波器的第一输入输出端口，第四微带线A7的第二端接第二隔直电容A9的第一端。第二隔直电容A9的第二端接第五微带线A8的第一端。第五微带线A8的第二端接第三可调电容A10的第一端。第三可调电容A10的第二端通过过孔接地。第四微带线B7的第一端接三阶交叉耦合全可调滤波器的第二输入输出端口，第四微带线B7的第二端接第二隔直电容B9的第一端。第二隔直电容B9的第二端接第五微带线B8的第一端。第五微带线B8的第二端接第三可调电容B10的第一端。第三可调电容B10的第二端通过过孔接地。第五微带线A8的部分与第一谐振器中第一微带线A3靠近，从而与第一谐振器耦合；第五微带线B8的部分与第二谐振器中第一微带线B3靠近，从而与第二谐振器耦合。

实施例三中提出的三阶全可调滤波器制作在相对介电常数为2.65、损耗因子为0.001、厚度0.8mm的介质基板上。本实施例中的滤波器使用实例一中的全可调谐振器耦合结构，并且第一可调电容A1、B1、C1，第二可调电容A2、B2、C2，第三可调电容A10、B10是采用了SKYWORKS公司的SMV1405-079C，其单个可变范围为0.63～2.67pF。第一隔直电容A6、B6、C6以及第二隔直电容A9和B9采用的是ATC公司的600S470，标称值为47pF。

图6所示的是本实施例提出的滤波器在可调电容取不同值的状态下的仿真传输特性图，横轴表示频率，纵轴表示传输特性|S21|。由图6可以看出，本实施例提出的滤波器拥有0.744GHz–1.343GHz的频率调节范围，并形成交叉耦合传输零点。其绝对带宽可以在保证中心频率不变的情况下调节。

综上所述，本发明提出的耦合结构没有使用多模谐振器与直接调控耦合系数的可调电容，而是通过谐振器内的两个可调电容调谐中心频率，改变微带线上的电流电压分布从而调控耦合系数、带宽。基于本发明提出的耦合结构设计的全可调滤波器可避免使用多模谐振器、避免谐振器之间直接加载耦合电容，可调电容能够采用不需要直流偏置的电容器，减小了滤波器的损耗，降低了设计、布线难度；在构成高阶交叉耦合全可调滤波器的时候偏置电路也会更简单。

应当说明的是，除实施例中使用的半导体变容二极管外，本发明提出的耦合结构中的可变电容还可以由射频微机系统、半导体二极管和三极管来实现。除实施例二和实施例三提出的滤波器外，本发明提出的耦合结构还可应用于高阶的、交叉耦合的滤波器。

以上所述为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于全可调带通滤波器的耦合结构，其特征在于，所述耦合结构包括左右对称设置的两个环形结构的谐振器；所述谐振器包括接地金属结构、附着在所述接地金属结构上的介质结构和附着在所述介质结构上的微带结构，所述微带结构包括第一可调电容、第二可调电容、接在第一可调电容一端和第二可调电容一端的第一微带线、接在第一可调电容另一端和第二可调电容另一端的第二微带线；所述两个谐振器的第二微带线相互靠近形成磁耦合区域。

2.根据权利要求1所述的用于全可调带通滤波器的耦合结构，其特征在于，所述谐振器的第一可调电容和第二微带线之间还依次换串联有第三微带线和隔直电容。

3.根据权利要求2所述的用于全可调带通滤波器的耦合结构，其特征在于，所述第一可调电容、第二可调电容和隔直电容均包括多个并联的电容器。