CN102545830B - 一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦，该巴伦包括：左右对称设置的第一、二微波开口环状传输线谐振器，及参数相同的第四、五可变电容，第一、二微波开口环状传输线谐振器均沿其中心线呈上下对称；非平衡输入端设置在第一微波开口环状传输线谐振器的上部，第一、二平衡输出端上下对称地设置在第二微波开口环状传输线谐振器的上部和下部，且第一平衡输出端与其中心线的距离小于非平衡输入端与其中心线的距离，第四可变电容连接在第一微波开口环状传输线谐振器开口处的两个开口端之间，第五可变电容连接在第二微波开口环状传输线谐振器开口处的两个开口端之间。实施本发明的技术方案，能使具有滤波功能的巴伦的差分通带频率产生变化。

Description

一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦

技术领域

本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦。

背景技术

如今，大量新兴射频/微波模块广泛应用于各种便携式终端，例如：手机、电子阅读器和平板电脑等。这个趋势推动了高集成技术的研究，因为该技术具有节约电路板体积、减小系统花费、简化设计等优点。相较于有源电路部分，无源电路往往占据较大尺寸，高集成技术对无源电路性能的改进尤为明显。在过去几十年中，很多研究致力于高集成技术的研究。其中，把两个或者多个独立功能电路集成于一个电路模块是一种通用的设计方法。例如具有带通特性的巴伦就是把非平衡到平衡的转换功能和通带滤波功能集于一身。

为了在该巴伦中实现良好的通带响应，多种形式的谐振器被广泛研究，如采用两个或者多个半波长或四分之一波长谐振器来构成巴伦带通滤波器、或采用单一的双模谐振器来实现小型化设计。同时为了适应双通带的需要，多种双通带巴伦带通滤波器被研制，但是这些设计都没有涉及巴伦的工作频率可调，而频率可调或可重构系统能在现在和未来的无线通信中大大拓宽工作频带。根据国内外的文献报道，在巴伦和滤波器的设计中，频率可调技术和多功能集成技术还没能融合，如何设计具有带通响应的可调巴伦这一问题没有明晰的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的无法实现具有带通响应的可调巴伦的频率调节的缺陷，提供一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦，能实现具有带通响应的可调巴伦的频率调节的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦，所述巴伦包括：左右对称设置的第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器，及参数相同的第四可变电容和第五可变电容，其中，第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器均沿其中心线呈上下对称；非平衡输入端设置在第一微波开口环状传输线谐振器的上部，第一平衡输出端和第二平衡输出端上下对称地设置在第二微波开口环状传输线谐振器的上部和下部，且第一平衡输出端或第二平衡输出端与其中心线的距离小于非平衡输入端与其中心线的距离，第四可变电容连接在第一微波开口环状传输线谐振器开口处的两个开口端之间，第五可变电容连接在第二微波开口环状传输线谐振器开口处的两个开口端之间。

在本发明所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦中，所述巴伦还包括第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容，且所述第一可变电容连接在所述非平衡输入端和所述第一微波开口环状传输线谐振器的所述上部之间；所述第二可变电容连接在所述第一平衡输出端和所述第二微波开口环状传输线谐振器的所述上部之间；所述第三可变电容连接在所述第二平衡输出端和所述第二微波开口环状传输线谐振器的所述下部之间。

在本发明所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦中，所述巴伦还包括分别设置在第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器的中间处，且沿中心线上下对称的第一开路微波传输线和第二开路微波传输线。

在本发明所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦中，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容及第五可变电容均包括串联的变容二极管和隔直电容。

在本发明所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦中，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容及第五可变电容均为具有电容可变功能的半导体二极管或三极管。

在本发明所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦中，第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器分别为开口环状微带线谐振器、开口环状共面波导谐振器或开口环状槽线谐振器。

实施本发明的技术方案，通过控制分别在第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器的开口处的开口端加载的第四可变电容的和第五可变电容的电容值，能使具有滤波功能的巴伦的差分通带频率产生变化。而且，采用对称加载可变电容的微波开口环状传输线谐振器，这样便于奇模、偶模谐振频率分析。

另外，差分通带频率的改变会影响其插入损耗，但通过调节非平衡输入端/平衡输出端和谐振器之间加载的可变电容的电容值，来匹配非平衡输入端/平衡输出端，达到减小幅度损耗的目的；

再者，通过中心线处加载的开路微波传输线来获得额外的传输零点，增加差分通带外的抑制深度，并且通过优化开路枝节的长度来调整该传输零点出现的位置。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦实施例一的电路图；

图2是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦实施例二的电路图；

图3是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦实施例三的电路图；

图4是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦的奇模等效电路图；

图5是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦的偶模等效电路图；

图6是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦中可变电容实施例一在测试时的等效电路图；

图7是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦在不同长度的开路微波传输线下的幅度-频率响应的曲线图；

图8是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦在不同偏置电压的幅度-频率响应的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦实施例一的电路图中，该实施例中的巴伦包括：第一微波开口环状传输线谐振器11、第二微波开口环状传输线谐振器12、第四可变电容C₄和第五可变电容C₅。其中，第一微波开口环状传输线谐振器11和第二微波开口环状传输线谐振器12呈左右对称设置，第四可变电容C₄和第五可变电容C₅的参数相同，且设第四可变电容C₄和第五可变电容C₅的电容值为C_v。而且，第一微波开口环状传输线谐振器11和第二微波开口环状传输线谐振器12均沿其中心线(图中虚线所示)呈上下对称，在此应当说明的是，在该实施例中，第一微波开口环状传输线谐振器11和第二微波开口环状传输线谐振器12围成了方形，当然，在其它实施例中，也可围成其它形状，如圆形、六边形、八边形等。另外，在该实施例中，非平衡输入端Feed1设置在第一微波开口环状传输线谐振器11的上部，第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3上下对称地设置在第二微波开口环状传输线谐振器12的上部和下部，且第一平衡输出端Feed2或第二平衡输出端Feed3与其中心线的距离小于非平衡输入端Feed1与其中心线的距离，也即，第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3相比非平衡输入端Feed1更靠近于中心线。第四可变电容C₄连接在第一微波开口环状传输线谐振器11开口处的两个开口端之间，第五可变电容C₅连接在第二微波开口环状传输线谐振器12开口处的两个开口端之间。

如图2所示，在本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦实施例二的电路图中，该实施例的巴伦相比图1所示的实施例的巴伦，其中，第一微波开口环状传输线谐振器11、第二微波开口环状传输线谐振器12、第四可变电容C₄和第五可变电容C₅及非平衡输入端Feed1、第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3的电路结构是相同的，在此不做赘述，以下仅说明的不同的部分。该实施例的巴伦还包括：第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃，且设第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃的电容值为C_v。且第一可变电容C₁的第一端连接非平衡输入端Feed1，第一可变电容C₁的第二端连接第一微波开口环状传输线谐振器11的上部；第二可变电容C₂的第一端连接第一平衡输出端Feed2，第二可变电容C₂的第二端连接第二微波开口环状传输线谐振器12的上部；第三可变电容C₃的第一端连接第二平衡输出端Feed3，第三可变电容C₃的第二端连接第二微波开口环状传输线谐振器12的下部。

如图3所示，在本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦实施例三的电路图中，该实施例的巴伦相比图2所示的实施例的巴伦，其中，第一微波开口环状传输线谐振器11、第二微波开口环状传输线谐振器12、第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃、第四可变电容C₄和第五可变电容C₅及非平衡输入端Feed1、第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3的电路结构是相同的，在此不做赘述，以下仅说明的不同的部分。该实施例的巴伦还包括第一开路微波传输线21和第二开路微波传输线22，其中，第一开路微波传输线21设置在第一微波开口环状传输线谐振器11的中间处，且沿中心线上下对称；第二开路微波传输线22设置在第二微波开口环状传输线谐振器12的中间处，且沿中心线上下对称。

下面详细说明具有滤波功能的微波频率可调巴伦的工作原理：首先对该巴伦分别在奇模和偶模下进行分析，在此，假设第四可变电容C₄、第五可变电容C₅的电容值为C_v；假设第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃的电容值为C_c。应当说明的是，以下实施例都是仅以第二微波开口环状传输线谐振器12为例进行分析，应当理解，以第一微波开口环状传输线谐振器11来进行奇模和偶模分析的原理相同。

A.奇模分析

当奇模激励加到第二微波开口环状传输线谐振器12的馈点(即第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3)时，第二微波开口环状传输线谐振器12的中心线处的电压为零，对地短路。因此，中心线加载的第二开路微波传输线22在等效电路中可忽略。加载于第二微波开口环状传输线谐振器12开口处的两个开路端的第五可变电容C₅对地等分。得到该开口环状传输线谐振器的奇模等效电路12′，如图4所示，该第二微波开口环状传输线谐振器12的奇模等效电路12′奇模输入导纳为：

$Y_{\mathrm{ino}}=2\mathrm{j\ω}{C}_v-\frac{Y_1}{j\tan {\mathrm{\θ}}_1}---\left(1\right)$

其中，Y₁是第二微波开口环状传输线谐振器12的特征导纳；θ₁是第二微波开口环状传输线谐振器12电长度的一半；ω为中心频率所对应的角速度。根据谐振条件：Y_ino的虚部为0，即Im{Y_ino}＝0，得：

$f_{\mathrm{odd}}=\frac{c}{2\mathrm{\π}{L}_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}\·\arctan \frac{Y_1}{2\mathrm{\π\ω}{C}_v}---\left(2\right)$

其中，L₁为第二微波开口环状传输线谐振器12的一半物理长度；c为真空中的光速，ε_eff为有效介电常数。从方程(2)可以看出奇模谐振频率f_odd和谐振器的基波谐振频率相关，因此在该巴伦的两个平衡输出端Feed2、Feed3能够实现信号的差分输出。提高第四可变电容C₄、第五可变电容C₅的电容值C_v将会降低奇模谐振频率f_odd，同时保证f_odd不受中心线加载的第二开路微波传输线22的影响。另外，在频率调节过程中，提高第一可变电容C₁、第二可变电容C₂和第三可变电容C₃的电容值C_c，可使在非平衡输入端口和平衡输出端口获得更好的阻抗匹配，以减小插入损耗。这能使得具有滤波功能的巴伦在变化后的差分通频带保持其较低的插入损耗

另一方面，平衡输出端Feed2、Feed3的外部品质因数大于非平衡输入端Feed1的外部品质因数，为保证该发明所设计的巴伦具有良好的带通滤波特性，Feed1通过远离中心线来获得更大的品质因数，以便非平衡输入端和平衡输出端具有相同的品质因数。

B.偶模分析

当偶模激励加到第二微波开口环状传输线谐振器12的馈点(即第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3)时，第二微波开口环状传输线谐振器12的中心没有电流。因此，我们可以把第二微波开口环状传输线谐振器12及其中心线加载的第二开路微波传输线22对称地分割成两部分，得到该第二微波开口环状传输线谐振器12的偶模等效电路12″，如图3所示，该第二微波开口环状传输线谐振器12的偶模等效电路12″偶模输入导纳为：

$Y_{\mathrm{ine}}=j{Y}_1\frac{Y_1\tan {\mathrm{\θ}}_1+Y_2\tan {\mathrm{\θ}}_2}{Y_1\tan {\mathrm{\θ}}_1-Y_2\tan {\mathrm{\θ}}_2\tan {\mathrm{\θ}}_1}---\left(3\right)$

其中，Y₂是第二开路微波传输线22根据中心线对称分割后的特征导纳；θ₂是第二开路微波传输线22的电长度。该巴伦的非平衡输入端Feed1到第一平衡输出端Feed2的散射参数S₂₁或非平衡输入端Feed1到第二平衡输出端Feed3的散射参数S₃₁可以通过式(1)和(3)得到，

$S_{21}=S_{31}=\frac{Y_{\mathrm{ino}}-Y_{\mathrm{ine}}}{(1+Y_{\mathrm{ino}})(1+Y_{\mathrm{ine}})}---\left(4\right)$

当S₂₁＝S₃₁＝0时，可以得到该巴伦的一个额外传输零点。为简化分析令得到：

$\tan {\mathrm{\θ}}_2=\frac{2\mathrm{\ω}{C}_v\tan {\mathrm{\θ}}_1+Y_1-Y_1\tan {\mathrm{\θ}}_1}{2\mathrm{\ω}{C}_v\tan {\mathrm{\θ}}_1+2Y_1}---\left(5\right)$

则该巴伦的一个额外传输零点可以表示为

$f_{\mathrm{ATZ}}=\frac{c\·{\mathrm{\θ}}_2}{2\mathrm{\π}{L}_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(6\right)$

其中，L₂为第二开路微波传输线22的物理长度。从方程中(5)和(6)可以看出，第四可变电容C₄、第五可变电容C₅的电容值C_v改变不仅控制着奇模谐振频率f_odd，而且同时会影响该巴伦的额外传输零点。在给定第二微波开口环状传输线谐振器12的一半物理长度L₁和第五可变电容C₅的电容值C_v条件下，额外传输零点的位置只受中心线加载的第二开路微波传输线22的物理长度L₂的影响。

第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃、第四可变电容C₄和第五可变电容C₅均包括串联的变容二极管和隔直电容。如图6所示的可变电容在测试时的等效电路图，其中，RFC(RF Choke)用来实现直流偏置电压V_b1(或V_b2)和射频信号之间的隔离。串联的变容二极管Var和普通的100pF贴片隔直电容C_a来实现上述实施例中的可变电容C₁～C₅。具体的可变电容值可用下面公式来表示：

$C_v=\frac{C_{\mathrm{vl}}{C}_a}{C_{\mathrm{vl}}+C_a},$ $C_c=\frac{C_{v2}{C}_a}{C_{v2}+C_a}---\left(7\right)$

其中，C_v1和C_v2代表变容二极管的电容值，分别随直流偏置电压V_b1和V_b2的变化而变化。由于目前市场上变容二极管的可调电容值及可调范围是多种多样的，所以，本发明中用到的变容二极管选择Toshiba JDV2S71E型号，它的电容可调范围为0.58→8.5pF。当然，在另一个实施例中，第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃、第四可变电容C₄和第五可变电容C₅可分别选用有电容可变功能的半导体二极管或三极管。

图7是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦在不同长度的开路微波传输线下的幅度-频率响应的曲线图，曲线S₂₁、S₃₁分别表示在V_b1＝25V和V_b2＝13V，L₁＝25mm时，该巴伦的第一平衡输出端Feed2和第二平衡输出端Feed3幅度损耗的频率响应仿真曲线。曲线S₁是不加载开路微波传输线时(L₂＝0)的频率响应仿真曲线，由图可知，曲线S₂₁、S₃₁在通带外持续上飘，此时无额外的传输零点；曲线S₂是加载了开路微波传输线，并且开路微波传输线长度L₂＝5mm的频率响应仿真曲线，由图可知，此时产生了一个额外的大约位于2.8GHz的传输零点。因此，在中心线出加载开路微波传输线，可增加差分通带外的抑制深度，而且，通过优化开路微波传输线的长度，可调整传输零点出现的位置。

图8是本发明具有滤波功能的微波频率可调巴伦在不同偏置电压的幅度-频率响应的曲线图。其中，曲线S₁为在V_b1＝25V和V_b2＝13V时，该巴伦的幅度-频率响应的实测曲线，差分通带的中心频率位于1.03GHz；曲线S₂为在V_b1＝5V和V_b2＝6V时，该巴伦的幅度-频率响应的实测曲线，差分通带的中心频率位于0.593GHz。因此，从图中可看出，当V_b1减小(25V→5V)，即C_v增大时，通带中心频率从1.03GHz降到0.593GHz。同时减小V_b2(13V→6V)，即C_c增大，以保证非平衡输入端和平衡输出端较小的损耗。同时在差分通频带大约三次谐波的位置，得益于加载合适的中心开路微波传输线，带外抑制度能够保持20dB以上。这样就验证了本发明该巴伦具有频率可调能力和较好的带通响应。如表1所示，在频率可调范围内该巴伦的两个平衡输出端口间最大的幅度差小于0.5dB，最大的相位差小于180±5°。

表1

另外，优选地，第一微波开口环状传输线谐振器11和第二微波开口环状传输线谐振器12分别为开口环状微带线谐振器、开口环状共面波导谐振器或开口环状槽线谐振器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种具有滤波功能的微波频率可调巴伦，其特征在于，所述巴伦包括：左右对称设置的第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器，及参数相同的第四可变电容和第五可变电容，其中，第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器均沿其中心线呈上下对称；非平衡输入端设置在第一微波开口环状传输线谐振器的上部，第一平衡输出端和第二平衡输出端上下对称地设置在第二微波开口环状传输线谐振器的上部和下部，且第一平衡输出端或第二平衡输出端与其中心线的距离小于非平衡输入端与其中心线的距离以使所述非平衡输入端和所述第一平衡输出端、第二平衡输出端具有相同的品质因数，第四可变电容连接在第一微波开口环状传输线谐振器开口处的两个开口端之间，第五可变电容连接在第二微波开口环状传输线谐振器开口处的两个开口端之间；所述第一微波开口环状传输线谐振器包括第一段传输线，所述第二微波开口环状传输线谐振器包括第二段传输线，所述第一段传输线和所述第二段传输线形成一平行耦合线滤波器；

所述巴伦还包括第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容，且所述第一可变电容连接在所述非平衡输入端和所述第一微波开口环状传输线谐振器的所述上部之间；所述第二可变电容连接在所述第一平衡输出端和所述第二微波开口环状传输线谐振器的所述上部之间；所述第三可变电容连接在所述第二平衡输出端和所述第二微波开口环状传输线谐振器的所述下部之间；

所述巴伦还包括分别设置在第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器的中间处，且沿中心线上下对称的第一开路微波传输线和第二开路微波传输线。

2.根据权利要求1所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦，其特征在于，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容及第五可变电容均包括串联的变容二极管和隔直电容。

3.根据权利要求1所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦，其特征在于，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容及第五可变电容均为具有电容可变功能的半导体二极管或三极管。

4.根据权利要求1所述的具有滤波功能的微波频率可调巴伦，其特征在于，第一微波开口环状传输线谐振器和第二微波开口环状传输线谐振器分别为开口环状微带线谐振器、开口环状共面波导谐振器或开口环状槽线谐振器。