CN102522615B - 小型化的低通带可调的双通带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开小型化的低通带可调的双通带带通滤波器，包括上层微带结构，中间层介质基板和下层接地金属板。滤波器由两个谐振器和两条馈电线组成，两个谐振器呈中心对称，每个谐振器包括一条两端短路的主传输微带线、一条加载在主传输线中点的开路枝节线，一个变容管，一个电容。谐振器工作在低通带时对应于四分之一波长谐振器，工作在高通带时对应于半波长谐振器。馈电线的一条边与谐振器耦合馈电，另一条边直接搭接在谐振器上馈电。本发明具有低通带中心频率可调而高通带保持不变的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种双通带带通滤波器，特别是涉及一种低通带可调的，体积较小的，可应用于射频前端电路中的双通带带通滤波器。
背景技术
当今社会，随着无线通信的发展，低成本、高性能的可重构射频子系统的设计成为热点问题。可重构通信系统对于能够覆盖较大频率范围的可调滤波器有着极为迫切的需求。
目前许多研究者已经将许多种不同的调节器件用于可调带通滤波器的设计，其中有几种典型的方法。第一种方法是通过变容二极管来改变谐振器的长度从而改变谐振频率，如J. Long and C. Z. Li, “A tunable microstrip bandpass filter with two independently adjustable transmission zeros,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol.21, no.2, pp.74-76, Feb. 2010.5。第二种方法是采用PIN二极管结构来设计可调带通滤波器，如G. L. Dai and M. Y. Xia, “Design of compact dual-band switchable bandpass filter,” Electronics Letters, vol.45, no.10, pp.506-507, May. 2009。第三种方法是采用铁氧体元件设计可调滤波器，如M. Norling, D. Kuylenstierna, A. Vorobiev, and S. Gevorgian, “Layout optimization of small-size ferroelectric parallel-plate varactors,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.58, no.6, pp.1475-1484, June. 2010。本发明采用的是第一种方法——利用变容二极管改变谐振频率。
现阶段，单通带可调滤波器已经引起了很多的关注。如V. Sekar, M. Armendariz, and K. Entesari, “A 1.2–1.6 GHz substrate-integrated-waveguide RF MEMS tunable filter,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.59, no.4, pp. 866–876, Apr. 2010.5。但是他只有一个通带。为了进一步优化单通带可调滤波器的性能，国内研究者采用集总元件抑制通带的谐波。如X. Y. Zhang and Q. Xue, “High-selectivity tunable bandpass filters with harmonic suppression,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.58, no.4, pp.964-969, Apr. 2010。虽然他也有两个通带，但是是高通可调。目前研究中，也有双通带中低通带可调的，但是大部分是用两套谐振器来实现的，不可避免地造成了体积过大。为了解决这个问题，本发明提供一种新的方法来实现双通带中低通带可调的滤波器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种小型化的低通带可调的双通带带通滤波器。
为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
小型化的低通带可调的双通带带通滤波器，包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；其特征在于：上层微带结构包括两条馈电线和两个谐振器；两个谐振器呈中心对称，并且结构相同，谐振器工作在低通带时等效为四分之一波长谐振器，工作在高通带时等效为半波长谐振器。所述滤波器的其中一条馈电线在输入端口处分成两路，一路直接与一个谐振器相连馈电，另一路与该谐振器的一条边平行耦合；另外一条馈电线在输出端口处分成两路，一路直接与另一个谐振器相连馈电，另一路与该谐振器的一条边平行耦合。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，谐振器包括一个变容二极管、一条两端短路的主传输线，一个加载在主传输线中心的开路枝节线、一个电容。其中主传输微带线部分由第五微带线、第六微带线和第七微带线依次连接而成，第五微带线的一端和第七微带线的一端都通过金属化过孔与金属地相连，另一端分别与微带线的两端相连。加载在主传输线中心的开路枝节线包括第八微带线，它一端连接在主传输线的中间，另一端与电容相连，电容的另一端与第九部分的变容管的负极相连，第九部分的变容管的正极通过穿过中间层介质基板的金属化过孔与下层接地金属相连。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，每个谐振器的主传输线的长度L的电长度为为所述双通带滤波器的高谐振频率f 2对应的波长的一半。1/2L+L 1+ 为所述双带通滤波器的低谐振频率f 1对应的波长的四分之一，L 1为第八微带线的长度，为谐振器的变容二极管等效微带线长度；主传输微带线长度为第五微带线、第六微带线和第七微带线的长度之和。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，谐振器的主传输线部分由第五微带线、第六微带线和第七微带线依次连接成U形结构，两个谐振器关于中心对称，呈交指结构。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，所述其中一条馈电线由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线组成，第一微带线一端开路，另一端与第二微带线一端相连，第二微带线另一端与第三微带线一端相连，第三微带线另一端直接搭接在第六微带线上，第四微带线一端开路，另一端垂直搭接在第二微带线上；另一条馈电线由第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线组成，第十一微带线一端开路，另一端与第十三微带线一端相连，第十三微带线另一端与第十二微带线一端相连，第十二微带线另一端直接搭接在十五微带线上，第十四微带线一端开路，另一端垂直搭接在第十三微带线上；接在输入端口之后的馈电线分成两路，包括第一微带线和第三微带线。其中第一微带线与主传输线的第五微带线之间有0.2±0.05 mm的间隙来实现平行耦合，并且第一微带线的长度是传输零点所对应的四分之一波长，从而产生特定的传输零点，使滤波器的选择性更好。第三微带线直接搭接在谐振器上实现馈电，且与第三微带线和第十微带线实现平行耦合。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，所述接在输出端口之前的馈电线分成两路，包括第十一微带线和第十二微带线，其中第十一微带线与第一微带线作用相同，只是长度和宽度不同，以产生频率不同的传输零点和合适的耦合。第十二微带线与第三微带线作用相同。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，所述可调低带通滤波器的可调谐振频率范围为735-1135MHz，高通带固定在3.5GHz，第一微带线的长度为20.6±0.2mm，宽度为1±0.2mm,第二微带线的长度为3.3±0.2mm，宽度为0.7±0.1mm, 第三微带线的长度为20.8±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第四微带线接端口，其特性阻抗为50Ω，长度为6.7±0.2mm，宽度为1.86mm,第五微带线的长度为19.3±0.4mm，宽度为1±0.1mm，第六微带线的长度为16.6±0.3mm，宽度为2.3±0.1mm，第八微带线的长度为0.8±0.1mm，宽度为2±0.1mm，第十一微带线的长度为17.5±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第十二微带线的长度为20.8±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第十三微带线的长度为3.1±0.1mm，宽度为0.7±0.1mm，第十四微带线的长度为6.7±0.2mm，宽度为1.86mm，第一微带线和第五微带线的间距为0.3±0.05mm，第三微带线和第五微带线的间距为0.4±0.05mm，第三微带线和第十微带线的间距为0.4±0.05mm，第十一微带线和第十三微带线的间距为0.5±0.05mm，第五微带线、第七微带线、第十微带线、第十三微带线的末端的金属化过孔的半径都是0.4±0.05mm，谐振器的变容二极管设置相同的偏置电压。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）采用主传输线两端短路，中心加载开路枝节线和变容管，只使用一个谐振器，实现了双通带中低通带可调高通带固定的功能。
（2）由于只采用一个谐振器，所以滤波器体积较小，整个电路大小为0.15lg′0.25lg，lg是低频对应的波长。
（3）可调范围大。频率可以从735MHz调到1135MHz，相对大小为42.9%。
附图说明
图1是 小型化的低通带可调的双通带带通滤波器结构图。
图2是低通带可调的电磁耦合结构的等效原理图。
图3是小型化的低通带可调的双通带带通滤波器示意图。
图4是去掉第一微带线和第十一微带线的仿真结果与加上这两条微带线的仿真结果的对比图。
图5是仿真和测试的滤波器的插入损耗图。
图6是仿真和测试的滤波器的回波损耗图。
图7是局部的低通带的仿真和测试的滤波器的插入损耗图。
图8是局部的低通带的仿真和测试的滤波器的回波损耗图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。
如图1所示，小型化的低通带可调的双通带带通滤波器包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；其特征在于：上层微带结构包括馈电线和两个谐振器。由奇偶模分析可知，在奇模时，住传输线中间相当于接地，因此对应于高通带，而且是半波长谐振器。在偶模时，主传输线中间开路，主传输线的一半连接在第八微带线，再连接着变容二极管等效出来的微带线，其谐振时，对应于低通带，而且是四分之一波长谐振器。馈电线在的输入输出端口处分开两路，一条直接与谐振器相连馈电，另一条与谐振器的一条边平行耦合。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，谐振器包括一个变容二极管、一条两端短路的主传输线，一个加载在主传输线中心的开路枝节线、一个电容。其中主传输微带线部分由第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7依次连接而成，第五微带线5的一端和第七微带线7的一端都通过金属化过孔与金属地相连，另一端分别与微带线的两端相连。加载在主传输线中心的开路枝节线包括第八微带线8，它一端连接在主传输线的中间，另一端与电容相连，第电容的另一端与第九部分9的变容管的负极相连，第九部分9的变容管的正极通过穿过中间层介质基板的金属化过孔与下层接地金属相连。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，由奇偶模分析可知，在奇模时，主传输线中间相当于接地，因此对应于高通带，而且是半波长谐振器。即谐振器的主传输线的长度L对应的电长度为为所述双通带滤波器的高谐振频率f 2对应的波长的一半。在偶模时，主传输线中间开路，主传输线的一半连接在第八微带线8，再连接着变容二极管等效出来的微带线，其谐振时，对应于低通带，而且是四分之一波长谐振器。即1/2L+L 1+为所述双带通滤波器的低谐振频率f 1对应的波长的四分之一，L 1为第八微带线8的长度，为谐振器的变容二极管等效微带线长度；主传输微带线长度为第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7的长度之和。当f 2确定之后，L的长度也随之确定。谐振频率f 1与电长度成反比，即，调整谐振器的变容二极管的偏置电压，则变容二极管的等效电容会发生改变，其等效微带线长度也会随之改变，从而谐振频率发生变化；选定变容二极管和确定滤波器工作的谐振频率调谐范围最小和最大之后，可以确定变容二极管的等效微带线长度的变化范围，然后根据等效微带线的总长度为四分之一波长的特性就可以确定实际微带线的长度L 1。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，谐振器的主传输线部分由第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7依次连接成U形结构，两个谐振器关于中心对称，呈交指结构。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，所述滤波器其中一条馈电线由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4组成，第一微带线1一端开路，另一端与第二微带线2一端相连，第二微带线2另一端与第三微带线3一端相连，第三微带线3另一端直接搭接在第六微带线6上，第四微带线4一端开路，另一端垂直搭接在第二微带线2上；另一条馈电线由第十一微带线11、第十二微带线12、第十三微带线13、第十四微带线14组成，第十一微带线11一端开路，另一端与第十三微带线13一端相连，第十三微带线13另一端与第十二微带线12一端相连，第十二微带线12另一端直接搭接在十五微带线15上，第十四微带线14一端开路，另一端垂直搭接在第十三微带线13上；接在输入端口之后的馈电线分成两路，包括第一微带线1和第三微带线3。其中第一微带线1与主传输线的第五微带线5之间有0.2±0.05 mm的间隙来实现平行耦合，并且第一微带线1的长度是传输零点所对应的四分之一波长，从而产生特定的传输零点，使滤波器的选择性更好。第三微带线3直接搭接在谐振器上实现馈电，且与第三微带线3和第十微带线10实现平行耦合。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，接在输出端口之前的馈电线分成两路，包括第十一微带线11和第十二微带线12，其中第十一微带线11与第一微带线1作用相同，只是长度和宽度不同，以产生频率不同的传输零点和合适的耦合。第十二微带线12与第三微带线3作用相同。
上述低通带可调的小型化的双带通滤波器中，所述可调低带通滤波器的可调谐振频率范围为735-1135MHz，高通带固定在3.5GHz，第一微带线1的长度为20.6±0.2mm，宽度为1±0.2mm,第二微带线2的长度为3.3±0.2mm，宽度为0.7±0.1mm, 第三微带线3的长度为20.8±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第四微带线4接端口，其特性阻抗为50Ω，长度为6.7±0.2mm，宽度为1.86mm,第五微带线5的长度为19.3±0.4mm，宽度为1±0.1mm，第六微带线6的长度为16.6±0.3mm，宽度为2.3±0.1mm，第八微带线8的长度为0.8±0.1mm，宽度为2±0.1mm，第十一微带线11的长度为17.5±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第十二微带线12的长度为20.8±0.2mm，宽度为0.6±0.1m，第十三微带线13的长度为3.1±0.1mm，宽度为0.7±0.1mm，第十四微带线14的长度为6.7±0.2mm，宽度为1.86mm，第一微带线1和第五微带线5的间距为0.3±0.05mm，第三微带线3和第五微带线5的间距为0.4±0.05mm，第三微带线3和第十微带线10的间距为0.4±0.05mm，第十一微带线11和第十三微带线13的间距为0.5±0.05mm，第五微带线5、第七微带线7、第十微带线10、第十三微带线13的末端的金属化过孔的半径都是0.4±0.05mm，谐振器的变容二极管设置相同的偏置电压。
实施例
具有独立可调通带的高选择性双带通滤波器的结构如图1所示，有关尺寸规格如下图3所示。介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027。谐振器采用U形结构可以有效减小滤波器的尺寸。两个变容二极管都采用Toshiba的1sv277 ，变容二极管的负极连接在电容上，另一端通过穿过中间层介质基板的金属化过孔与下层接地金属相连。如图3所示，滤波器的各微带线尺寸参数如下： L 1 =21.3±0.2mm， W 2 =1±0.2mm， L 6 =3.3±0.2mm， W 2 =0.7±0.1mm, L 8= 21.5±0.2mm， W 4 =0.6±0.1mm, L 5=6.7±0.2mm， W 1=1.86mm, L 3=19.3±0.4mm， W 3=1±0.1mm, L 2=16.6±0.3mm， W 5 =2.3±0.1mm， L 7=0.8±0.1mm， W 8=2±0.1mm， L 4=17.5±0.2mm， W 6=0.6±0.1mm。g 3=0.3±0.05mm， g 5=0.4±0.05mm， g 1=0.4±0.05mm， g 4=0.5±0.05mm，第五微带线5、第七微带线7、第十微带线10、第十三微带线13的末端的金属化过孔的半径都是g 2=0.4±0.05mm。选择这些微带线各自的长度和宽度，以获得所需的输入/输出阻抗特性、频带内传输特性和频带外衰减特性。
图4是在其他参数不变的条件下，并去掉变容管，将第八微带线8拉长至变容管的等效长度，加上第一微带线1、第十一微带线11和去掉第一微带线1、第十一微带线11的S21（插入损耗）仿真结果的对比。虚线代表去掉这两条线的仿真结果，实线代表加上这两条线的仿真结果。从图中可以看出，当不加这两条微带线时，在两个通带中间会出现寄生通带，当加上这两条微带线后，寄生通带被很好地抑制了。图5和图6分别是按照上述参数设计出来的低通带可调的双通带滤波器S21和S11（回波损耗）仿真的结果；输特性曲线图中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性、；虚线为仿真结果，实线为测试结果。图5中从左到右的5条曲线分别表示低通带的中心频率分别为735MHz、835MHz、935MHz、1035MHz、1135MHz，且高通带中心频率为3.5GHz时传输特性的仿真曲线，从图中可以看出，当低通带的中心频率在变化时，高通带却保持不变。测试结果高通带中心频率固定在3.5GHz，插入损耗1.1db，3dB带宽220MHz.在通带的两侧都有传输零点，极大地改善了滤波器的选择性。在高通带的左侧抑制水平优于-15dB，右侧抑制水平优于-25dB。而低通带的右侧也都有传输零点，同样改善了滤波器的选择性，其左侧抑制水平优于-14dB，右侧抑制水平优于-20dB。为了更加清楚地看低通带中心频率改变时的效果，图6截取了图五中低通带改变时局部的图形。三条曲线从左到右分别是变容二极管电压0.9V，2.2V，4V时的仿真结果和测试结果，它分别对应于图5的低频为735MHz、935MHz和1135MHz的曲线。其插入损耗的变化范围测试为1-1.5dB，3dB带宽的相对值范围为8.6%-12.4%。图7中从左到右的5条曲线分别表示低通带的中心频率分别为735MHz、835MHz、935MHz、1035MHz、1135MHz，且高通带中心频率为3.5GHz时传输特性的仿真曲线，从图中可以看出，当低通带的中心频率在变化时，高通带却保持不变。测试结果高通带回波损耗优于-15dB。为了更加清楚地看低通带中心频率改变时的效果，图6截取了图五中低通带改变时局部的图形。三条曲线从左到右分别是变容二极管电压0.9V，2.2V，4V时的仿真结果和测试结果，它分别对应于图5的低频为735MHz、935MHz和1135MHz的曲线。其回波损耗都优于-10dB。测试结果与仿真结果基本一致，仿真和测试分别是使用安捷伦公司的商业电磁仿真软件ADS和E5071C网络分析仪来完成的。
实施例的仿真和实测结果表明，当两通带中的任一通带的中心频率调谐时，实施例中的另一通带的传输特性基本保持不变，实现了独立调谐的目标。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种小型化的低通带可调的双通带带通滤波器，包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；其特征在于：上层微带结构包括两条馈电线和两个谐振器；两个谐振器呈中心对称，并且结构相同，谐振器工作在低通带时等效为四分之一波长谐振器，工作在高通带时等效为半波长谐振器；所述双通带带通滤波器的其中一条馈电线在输入端口处分成两路，一路直接与第一谐振器相连馈电，另一路与该第一谐振器的一条边平行耦合；另外一条馈电线在输出端口处分成两路，一路直接与第二谐振器相连馈电，另一路与该第二谐振器的一条边平行耦合；所述第一谐振器包括一个变容二极管、一条两端短路的主传输线，一个加载在主传输线中心的开路枝节线、一个电容；其中主传输线由第五微带线、第六微带线和第七微带线依次连接而成，第五微带线的一端和第七微带线的一端都通过金属化过孔与金属地相连，第五微带线的另一端和第七微带线的另一端分别与第六微带线的两端相连；加载在主传输线中心的开路枝节线包括第八微带线，它一端连接在主传输线的中间，另一端与电容相连；电容的另一端与变容二极管的负极相连，变容二极管的正极通过穿过中间层介质基板的金属化过孔与下层接地金属相连；两个谐振器呈交指结构，其中第一谐振器的主传输线由第五微带线、第六微带线和第七微带线依次连接成U形结构，第二谐振器的主传输线由第十微带线、第十五微带线和第十六微带线依次连接成U形结构；所述其中一条馈电线由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线组成，第一微带线一端开路，另一端与第二微带线一端相连，第二微带线另一端与第三微带线一端相连，第三微带线另一端直接搭接在第六微带线上，第四微带线一端开路，另一端垂直搭接在第二微带线上；另一条馈电线由第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线组成，第十一微带线一端开路，另一端与第十三微带线一端相连，第十三微带线另一端与第十二微带线一端相连，第十二微带线另一端直接搭接在第十五微带线上，第十四微带线一端开路，另一端垂直搭接在第十三微带线上；接在输入端口之后的馈电线分成两路，分别为第一微带线和第三微带线；其中第一微带线与主传输线的第五微带线之间有0.3±0.05 mm的间隙来实现平行耦合，并且第一微带线的长度是传输零点所对应的四分之一波长；第三微带线直接搭接在第一谐振器上实现馈电，且第三微带线和第十微带线实现平行耦合。
2.根据权利要求1所述小型化的低通带可调的双通带带通滤波器，其特征在于每个谐振器的主传输线的长度L的电长度为所述双通带带通滤波器的高谐振频率f 2对应的波长的一半；1/2L+L 1+ ΔL为所述双通带带通滤波器的低谐振频率f 1对应的波长λ的四分之一，L 1为第八微带线的长度，ΔL为谐振器的变容二极管等效微带线长度；主传输线长度L为第五微带线、第六微带线和第七微带线的长度之和。
3.根据权利要求1所述的小型化的低通带可调的双通带带通滤波器，其特征在于接在输出端口之前的馈电线分成两路，分别为第十一微带线和第十二微带线；其中第十一微带线与第一微带线长度和宽度不同。
4.根据权利要求3所述的小型化的低通带可调的双通带带通滤波器，其特征在于，所述双通带带通滤波器的可调谐振频率范围为735-1135MHz，高通带固定在3.5GHz，第一微带线的长度为20.6±0.2mm，宽度为1±0.2mm,第二微带线的长度为3.3±0.2mm，宽度为0.7±0.1mm, 第三微带线的长度为20.8±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第四微带线接端口，其特性阻抗为50Ω，长度为6.7±0.2mm，宽度为1.86mm,第五微带线的长度为19.3±0.4mm，宽度为1±0.1mm，第六微带线的长度为16.6±0.3mm，宽度为2.3±0.1mm，第八微带线的长度为0.8±0.1mm，宽度为2±0.1mm，第十一微带线的长度为17.5±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第十二微带线的长度为20.8±0.2mm，宽度为0.6±0.1mm，第十三微带线的长度为3.1±0.1mm，宽度为0.7±0.1mm，第十四微带线的长度为6.7±0.2mm，宽度为1.86mm，第三微带线和第五微带线的间距为0.4±0.05mm，第三微带线和第十微带线的间距为0.4±0.05mm，第五微带线、第七微带线、第十微带线、第十三微带线的末端的金属化过孔的半径都是0.4±0.05mm，谐振器的变容二极管设置相同的偏置电压。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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