CN101567674A - 一种可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可调带通滤波器。所述滤波器采用左手和右手非线性传输线相结合的方法，其中左手非线性传输线由串联变容管和并联电感构成，具有高通特性；而右手非线性传输线由串联电感和并联变容管构成，具有低通特性。通过控制左、右手非线性传输线的变容管的偏置电压，改变变容管电容，从而分别调节该带通滤波器的下、上边频。

Description

一种可调带通滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，特别是涉及可调带通滤波器。

背景技术

在现代多模多带通信系统中，可调带通滤波器(BPFs)是其中的关键部件。大多数的可调滤波器按照机械可调、磁调、电调分类。电学调节的带通滤波器相对其他两种更受青睐，因为其调节速度快，可调范围宽，并且尺寸紧凑。

多数电调BPFs采用无源电路，其中电压控制的电容作为调节元件。一般使用两种电容，一种是传统的变容管，另一种是MEMS电桥。使用MEMS技术的BPFs损耗低。但是，为了控制MEMS电桥的高度，必须使用大直流偏置电压，使得调节速度慢。而且，MEMS的制作和封装费用昂贵。所以，基于MEMS技术的BPFs并不是商用无线通信的理想选择。相反，采用变容管的BPFs速度快，偏置电压低。但是，由于变容管的Q值低，在可调BPFs通带中的损耗大。

现有的可调BPFs设计的基本要求是固定滤波器响应曲线的形状和通带宽度，在此前提下调节中心频率，而不能同时调节通带的中心频率和频带宽度。例如，可以参考文献“Jaroslaw Uher and Wolfgang J.R.Hoefer，Tunable microwave and millimeter-wave band-pass filters，IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.39，NO.4，APRIL 1991”。所以，多数情况下可调BPFs是在固定的带宽下调节通带频率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可同时调节通带频率和带宽的电调带通滤波器。

为实现上述目的，采用了低通可调滤波器和高通可调滤波器相结合的方案，对通带的上、下边频分别调节，从而实现固定上(下)边频的同时，通过调节电压改变下(上)边频。

具体地，本发明提出一种可调带通滤波器，由左手非线性传输线和右手非线性传输线相串联构成；所述左手非线性传输线由串联变容管和并联电感组成；所述右手非线性传输线由串联电感和并联电容组成。

进一步，仅改变所述左手非线性传输线的变容管的偏置电压，滤波器的上边频不动，仅下边频移动。增大所述左手非线性传输线的变容管的偏置电压，下边频向高频移动；减小所述左手非线性传输线的变容管的偏置电压，下边频向低频移动。

进一步，仅改变所述右手非线性传输线的变容管的偏置电压，滤波器的下边频不动，仅上边频移动。增大所述右手非线性传输线的变容管的偏置电压，上边频向高频移动；减小所述右手非线性传输线的变容管的偏置电压，上边频向低频移动。

进一步，滤波器的Q值能够通过增加所述非线性传输线单元个数提高。

本发明的工作原理是：低通可调滤波器由包含串联电感和并联变容管的传统非线性传输线实现，其中的变容管可以控制滤波器的截止频率。传统非线性传输线的相位传播与能量传播方向相同，因而也称右手非线性传输线。与它相对应的是左手非线性传输线，主要用于谐波产生器和移相器。这种传输线由串联电容和并联电感构成，它表现为高通滤波器的特性，同样通过控制变容管可以调节截止频率。与右手非线性传输线相比，左手非线性传输线的相位传播方向与能量传播方向相反。

由于本发明采用左手非线性传输线与右手非线性传输线相结合的方案，所以保持左手非线性传输线的偏置电压不变，增大右手非线性传输线的偏置电压，通带的下边频不变，而上边频提高；相反，保持右手非线性传输线的偏置电压不变，增大左手非线性传输线的偏置电压，通带上边频不变，而下边频提高。

因此，采用本发明可以制备出通带频率和带宽都可调的带通滤波器。

附图说明

图1是右手非线性传输线单元；

图2是右手非线性传输线单元的低通特性；

图3是左手非线性传输线单元；

图4是左手非线性传输线单元的高通特性；

图5是本发明的左、右手非线性传输线单元相结合的带通滤波器；

图6是本发明的左、右手非线性传输线单元相结合的带通滤波器的带通特性；

图7是本发明的左、右手非线性传输线单元相结合的带通滤波器的截止频率、通带带宽同时可调特性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

目前，由周期负载串联电容和并联电感的传输线构成左手材料的方法被提出，因电场强度E、磁场强度H和波矢k构成左手规律称之为左手材料非线性传输线(LH_NLTL)，相对于E、H和k构成右手规律的右手材料非线性传输线(RH_NLTL)。

如图1所示，两个串联电感与一个并联变容管构成右手非线性传输线(RH_NLTL)。它表现出低通滤波器特性，如图2所示。图3是左手非线性传输线(LH_NLTL)的示意图，它由两个串联的变容管和一个并联的电感组成。在该电路中，由于：

$\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_s=Z=\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}\⇒{\mathrm{\μ}}_s=-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^{2}C}---\left(1\right)$

$\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_s=Y=\frac{1}{\mathrm{j\ωL}}\⇒{\mathrm{\ϵ}}_s=-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^{2}L}---\left(2\right)$

其中，μ_s表示磁导率，ε_s表示电导率。

由式(1)、(2)可见，介电常数和磁导率都为负数。LH_NLTL与图1所示的RH_NLTL相比，电容和电感的位置正好相反。由于电导率和磁导率均为负，该传输线表现为左手特性。LH_NLTL表现出高通滤波器特性，如图4所示。

由于LH_NLTL与RH_NLTL分别具有高通和低通特性，因而将其串联可以构成带通滤波器。图5是本发明的带通滤波器单元电路，每个单元包含了LH_NLTL与RH_NLTL，而整个带通滤波器包含若干相同的传输线单元。对于其中的变容管，分别通过大电阻与直流偏置连接，使用大电阻的原因是防止交流信号泄露，而保持直流导通。LH_NLTL和RH_NLTL之间通过隔直电容连接，这样做是为防止两者的直流偏置互相干扰。图6的仿真结果显示了将LH_NLTL与RH_NLTL结合在一起表现的带通特性，结果表明增加传输线单元的个数可以提高带通滤波器的品质因数。当单元数较少时，增加数目能显著提高滤波器的Q值，当单元个数增加到8以上时，影响就很小了。

下面以具体的参数说明本发明所提供的带通滤波器的频率和带宽调节方法。对于LH_NLTL和RH_NLTL，不同的偏置电压下的变容管电容值分别如表1所示。

表1

V(V)	CLH NLTL(pF)	CRH NLTL(pF)
			0	5.08	9.63
2	2.41
			3	1.82	3.58

如图5所示，若保持LH NLTL的偏置电压，即Vdc2不变，而仅调节RH NLTL的偏置电压Vdc1，则带通滤波器的下边频不动，而上边频移动。当增大Vdc1时，低通滤波器的电容值减小，上边频增大；当减小Vdc1时，低通滤波器的电容值增大，上边频减小。同理，若保持RH NLTL的偏置电压，即Vdc1不变，而仅调节LH NLTL的偏置电压Vdc2，则带通滤波器的上边频不动，而下边频移动。当增大Vdc2时，高通滤波器的电容值减小，下边频增大；当减小Vdc2时，高通滤波器的电容值增大，下边频减小。该现象如图7所示。此外，可以同时增大或减小LH_NLTL与RH_NLTL的偏置电压，实现固定带宽下调节中心频率。由于低通滤波器和高通滤波器的截止频率可以分别调节，使带通滤波器的带宽、频率调节方便。增加单元电路的数目还可以提高Q值。

前面已经具体描述了本发明的实施方案，应当理解，对于一个具有本技术领域的普通技能的人，在不背离本发明的范围的情况下，在上述的和在附加的权利要求中特别提出的本发明的范围内进行变化和调整能同样达到本发明的目的。

Claims (6)

1、一种可调带通滤波器，其特征在于，由左手非线性传输线和右手非线性传输线相串联构成；

所述左手非线性传输线由串联变容管和并联电感组成；

所述右手非线性传输线由串联电感和并联电容组成。

2、如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，仅改变所述左手非线性传输线的变容管的偏置电压，滤波器的上边频不动，仅下边频移动。

3、如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，增大所述左手非线性传输线的变容管的偏置电压，下边频向高频移动；减小所述左手非线性传输线的变容管的偏置电压，下边频向低频移动。

4、如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，仅改变所述右手非线性传输线的变容管的偏置电压，滤波器的下边频不动，仅上边频移动。

5.如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，增大所述右手非线性传输线的变容管的偏置电压，上边频向高频移动；减小所述右手非线性传输线的变容管的偏置电压，上边频向低频移动。

6、如权利要求1所述的滤波器，其特征在于，滤波器的Q值能够通过增加所述非线性传输线单元个数提高。

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