CN102638237A - 一种微波平衡式可调滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡式可调滤波器，该平衡式可调滤波器包括左右对称设置的第一、二半波长微波传输线和六个可变电容，其中，第一、二、三、四可变电容的型号和参数相同，第五、六可变电容的型号和参数相同，且每个半波长微波传输线均上下对称，第一、二、三、四可变电容的第一端分别连接第一、二半波长微波传输线的四个终点处，第五、六可变电容的第一端分别连接第一、二半波长微波传输线的中点处，六个可变电容的第二端分别接地。实施本发明的技术方案，通过控制终点处加载的可变电容的电容值，能使平衡式可调滤波器的差分通带频率产生调节；通过调节中点处加载的可变电容的电容值，能使平衡式可调滤波器在差分通带频率可调范围内保持较稳定的高共模抑制度。

Description

一种微波平衡式可调滤波器

技术领域

本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种微波平衡式可调滤波器。 

背景技术

近些年来，平衡式微波电路逐渐成为射频微波电路和系统方面的研究热点，其原因在于平衡式电路具有很多优点：优越的电路稳定性、较好的抗噪性能、较高的谐波抑制度等。滤波器作为微波无线通讯系统中的核心元器件，为了满足系统的发展需要，在国内外多种平衡式滤波器的拓扑结构被深入研究。为了实现微波平衡式滤波器良好差分通带响应的同时保证在该通带内较高的共模抑制度，多种形式的谐振器被广泛研究，如耦合线谐振器、多段谐振器、双面平行带状线、阶跃阻抗谐振器等，但用这些谐振器所实现的平衡式滤波器都没有涉及工作频率可调节。 

众所周知，在现在新兴的可重构微波通信系统中，可调谐振器和滤波器需求日益增加。其中半波长可调谐振器被广泛研究和工程应用，成为微波可调滤波器设计的关键部件。然而，根据国内外的文献报道，在滤波器的设计中，频率可调技术和平衡式拓扑结构还没能很好的结合，尤其在差分通带频率可调范围内实现连续稳定的高共模抑制度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，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微波平衡式可调滤波器，能在差分通带频率可调范围内能有效地保持较高的共模连续抑制。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种微波平衡式可调滤波器，包括：左右对称设置的第一半波长微波传输线和第二半波长微波传输线、第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容及第六可变电容，其中，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容和第四可变电容的型号和参数相同，第五可变电容及第六可变电容的型号和参数相同，且每个半波长微波传输线均上下对称，第一可变电容的第一端连接第一半波长微波传输线的第一终点，第二可变电容的第一端连接第一半波长微波传输线的第二终点，第三可变电容的第一端连接第二半波长微波传输线的第一终点，第四可变电容的第一端连接第二半波长微波传输线的第二终点，第五可变电容的第一端连接第一半波长微波传输线的中点，第六可变电容的第一端连接第二半波长微波传输线的中点，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容及第六可变电容的第二端分别接地，所述微波平衡式可调滤波器的两个输入端口对称设置在其中一个半波长微波传输线上，所述微波平衡式可调滤波器的两个输出端口对称设置在另一个半波长微波传输线上。 

在本发明所述的微波平衡式可调滤波器中，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容及第六可变电容均包括串联的变容二极管和隔直电容。 

在本发明所述的微波平衡式可调滤波器中，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容及第六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。 

在本发明所述的微波平衡式可调滤波器中，所述第一半波长微波传输线、第二半波长微波传输线分别为半波长微带线、半波长共面波导或半波长槽线。 

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果： 

1、通过控制半波长微波传输线终点处加载的可变电容的电容值，能使平衡式可调滤波器的差分通带频率产生调节； 

2、差分通带频率的改变会影响其共模频率响应，但通过调节半波长微波传输线中点处加载的可变电容的电容值，来控制因为差分频率的改变而变化的共模空载品质因素，这能使得平衡式可调滤波器在变化后的差分通频带内保持较稳定的高共模抑制度； 

3、本发明采用对称加载可变电容的半波长谐振器，这样便于差模、共模谐振频率分析，同时滤波器选择直接馈电方式，可减小通带内插损，并简化了电路设计步骤。 

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是本发明微波平衡式可调滤波器实施例一的电路图； 

图2是本发明微波平衡式可调滤波器实施例一的差模等效电路图； 

图3是本发明微波平衡式可调滤波器实施例一的共模等效电路图； 

图4A是本发明微波平衡式可调滤波器中连接在半波长微波传输线的终点处的可变电容在测试时的等效电路图； 

图4B是本发明微波平衡式可调滤波器中连接在半波长微波传输线的中点处的可变电容在测试时的等效电路图； 

图5是本发明微波平衡式可调滤波器的差模频率响应的曲线图； 

图6是本发明微波平衡式可调滤波器的共模频率响应的曲线图。 

具体实施方式

如图1所示，在本发明微波平衡式可调滤波器实施例一的电路图中，该平衡式可调滤波器包括：左右对称设置的第一半波长微波传输线11和第二半波长微波传输线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、第五可变电容C₅及第六可变电容C₆。其中，第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃和第四可变电容C₄的型号和参数相同，设定第一可变电容C₁、第二可变电容C₂、第三可变电容C₃和第四可变电容C₄的电容值为C_t1，第五可变电容C₅及第六可变电容C₆的型号和参数相同，设定第五可变电容C₅、第六可变电容C₆的电容值为C_t2。且每个半波长微波传输线均上下对称，即对称轴两侧的传输线长度都为四分之一波长。第一半波长微波传输线11和第二半波长微波传输线12分别构成了半波长谐振器。第一可变电容C₁的第一端连接第一半波长微波传输线11的第一终点，第二可变电容C₂的第一端连接第一半波长微波传输线11的第二终点，第三可变电容C₃的第一端连接第二半波长微波传输线12的第一终点，第四可变电容C₄的第一端连接第二半波长微波传输线12的第二终点，第五可变电容C₅的第一端连接第一半波长微波传输线11的中点，即点A处，第六可变电容C₆的第一端连接第二半波长微波传输线12的中点，即点A`处。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、第五可变电容C₅及第六可变电容C₆的第二端分别接地，该微波平衡式可调滤波器的两个输入端口①、 

对称设置在第一半波长微波传输线11上，该微波平衡式可调滤波器的两个输出 端口②、 

对称设置在第二半波长微波传输线12上，当然，该微波平衡式可调滤波器的输入端口与输出端口可以互换。 

下面详细说明该微波平衡式可调滤波器的工作原理：首先对该微波平衡式可调滤波器分别在差模和共模下进行分析。应当说明的是，以下实施例都是仅以第一半波长微波传输线11为例进行分析，应当理解，以第二半波长微波传输线12来进行差模和共模分析的原理相同。 

A.差模分析 

当差模激励加到第一半波长微波传输线11的馈点(①和 

)时，第一半波长微波传输线11的中点(即点A)处的电压为零。因此，中点处加载的第五可变电容C₅在等效电路中可忽略。点A对地短路，这样我们可以把第一半波长微波传输线11对称地分割成两部分，得到该半波长微波传输线的差模等效电路，如图2所示，该第一半波长微波传输线11的差模输入导纳为： 

$Y_{\mathrm{in}}^d=-j\frac{Y_c}{\tan \mathrm{\θ}}+Y_1,---\left(1\right)$

$Y_i=\frac{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{ti}}}{j{r}_i\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{ti}}+1}$ i＝1或2    (2) 

其中，Y_C是第一半波长微波传输线的特征导纳；θ是第一半波长微波传输线的电长度；Y_i(i＝1或2)是可变电容C_ti等效导纳，其中r_i是C_ti的高频寄生电阻。根据谐振条件： 

的虚部为0，即 得： 

$f_0^d=\frac{Y_c}{2\mathrm{\π}{C}_{t1}(\tan \mathrm{\θ}-j{r}_1{Y}_c)}---\left(3\right)$

假设r₁很小可忽略，即r₁＝0。可以从方程(3)看出差模频率响应只随着第一、二可变电容C₁、C₂的电容值C_t1增加而减小。 

B.共模分析 

当共模激励加到第一半波长微波传输线11的馈点(①和 

)时，第一半波长微波传输线11的中点处没有电流。因此，我们可以把第一半波长微波传输线11对称地分割成两部分，得到该第一半波长微波传输线11的共模等效电路，如图3所示，该第一半波长微波传输线11的共模输入导纳为： 

$Y_{\mathrm{in}}^c=Y_1+Y_c\frac{Y_2/2+j{Y}_c\tan \mathrm{\θ}}{Y_c+j(Y_2/2)\tan \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

将方程(2)代入方程(4)并假设r₁＝0， 

$Y_{\mathrm{in}}^c=\mathrm{j\ω}{C}_{t1}+\frac{Y_c}{m}\×\{2Y_c{r}_2{\mathrm{\ω}}^2{C}_{t2}^2(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})+j[2Y_c\mathrm{\ω}{C}_{t2}(1-{\tan }^2\mathrm{\θ})---\left(5a\right)$

$+(4Y_c^2{r}_2^2{\mathrm{\ω}}^2{C}_{t2}^2+4Y_c^2-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{t2}^2)\tan \mathrm{\θ}\left]\right\}$

m＝(2Y_c-ωC_t2tanθ)²+(2Y_cr₂ωC_t2)²    (5b) 

那么共模的空载品质因素 

可以表示为： 

$Q_u^c=|\frac{1}{r_2}(\frac{\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\ω}{C}_{t2}}+\frac{\mathrm{m\ω}{C}_{t1}+4Y_c^3\tan \mathrm{\θ}}{2Y_c^2(1+{\tan }^2\mathrm{\θ}){\mathrm{\ω}}^2{C}_{t2}^2}-\frac{\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}{4Y_c})+Y_c{r}_2\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)|---\left(6\right)$

从方程中(5a)可以看出，第一、二可变电容C₁、C₂电容值C_t1的改变不仅控制着差模频率响应，而且同时会影响共模频率响应。从方程(6)中可知，虽然某一容值的第五可变电容C₅能有效抑制共模频率响应，但随着差模中心频率的减小即第一、二可变电容C₁、C₂的电容值C_t1的增加， 

的值也会随之增加。这样直接导致差模通频带内的共模抑制效果变差，若在第一、二可变电容C₁、C₂的电容值C_t1增加的同时，增加第五可变电容C₅的电容值C_t2到一恰当容值，会使得 

能够保持在一较低的范围内。也就是，在实现平衡式微波滤波器差模频率可调的同时，能够保证平衡式微波滤波器在共模下具有连续平稳的共模抑制度。 

图4A和图4B分别是本发明微波平衡式可调滤波器中连接在半波长微波传输线的终点处和中点处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 1(或Var 2)和普通的隔直电容C_a1(或C_a2)来实现上述实施例中的第一可变电容C₁或第五可变电容C₅。具体的可变电容值可用下面公式来表示： 

$C_{\mathrm{ti}}=\frac{C_{\mathrm{vi}}{C}_{\mathrm{ai}}}{C_{\mathrm{vi}}+C_{\mathrm{ai}}},$ i＝1或2    (7) 

其中，C_vi代表变容二极管的电容值，且该容值随直流偏置电压(V_b1和V_b2)的变化而变化。C_ai代表隔直电容的电容值。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和隔直电容都需要慎重考虑并加以选择。根据前面的分析，第一、二可变电容C₁、C₂的等效内阻尽可能小，而第五电容C₂电容初始值应该根据平衡式可调滤波器的初始状态来确定。在此基础上，还要考虑第一、二可变电容C₁、C₂的电容值C_t1和第五可变电容C₅的电容值C_t2的可调范围，因为C_t1的可调范围决定了本发明滤波器差模频率响应的可调范围，而C_t2的可调范围必须覆盖本发明滤波器获得最大共模抑制度的所需电容值。因此，变容二极管C_v2选择Toshiba ISV232型号，它的电容可调范围为2.9→30pF，并且取隔直电容C_a2为20pF。同时，变容二极管C_v1选择Toshiba ISV277型号，它的可变范围是0.4→5.5pF，同时，隔直电容C_a1取定值为1.5pF。 

结合图5和图6，其中，曲线 

为在V_b1＝9V和V_b2＝7V时，平衡式可调滤波器的差模频率响应的实测曲线，曲线 

为在V_b1＝0V和V_b2＝4.2V时，平衡式可调滤波器的差模频率响应的实测曲线，曲线 

为在V_b1＝9V和V_b2＝ 7V时，平衡式可调滤波器的共模频率响应的实测曲线，曲线 为在V_b1＝0V和V_b2＝4.2V时，平衡式可调滤波器的共模频率响应的实测曲线。由图可知，在初始状态下，即V_b1＝9V和V_b2＝7V， 

当V_b1减小(9V→0V)， 从0.811GHz降到0.75GHz。同时减小V_b2的取值(7V→4.2V)，差分通频带内共模抑制度能够保持至少25dB。这样就验证了本发明滤波器具有频率可调能力和较平稳的共模抑制度。 

还应当说明的是，在本发明的平衡式可调滤波器中，还可用射频微机系统或半导体二极管及三极管来实现可变电容。另外，半波长微波传输线例如可为半波长微带线、半波长共面波导、半波长槽线等。 

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)

1.一种微波平衡式可调滤波器，其特征在于，包括：左右对称设置的第一半波长微波传输线和第二半波长微波传输线、第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容及第六可变电容，其中，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容和第四可变电容的型号和参数相同，第五可变电容及第六可变电容的型号和参数相同，且每个半波长微波传输线均上下对称，第一可变电容的第一端连接第一半波长微波传输线的第一终点，第二可变电容的第一端连接第一半波长微波传输线的第二终点，第三可变电容的第一端连接第二半波长微波传输线的第一终点，第四可变电容的第一端连接第二半波长微波传输线的第二终点，第五可变电容的第一端连接第一半波长微波传输线的中点，第六可变电容的第一端连接第二半波长微波传输线的中点，第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容及第六可变电容的第二端分别接地，所述微波平衡式可调滤波器的两个输入端口对称设置在其中一个半波长微波传输线上，所述微波平衡式可调滤波器的两个输出端口对称设置在另一个半波长微波传输线上。

2.根据权利要求1所述的微波平衡式可调滤波器，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、第五可变电容及第六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所述的微波平衡式可调滤波器，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、第五可变电容及第六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所述的微波平衡式可调滤波器，其特征在于，所述第一半波长微波传输线、第二半波长微波传输线分别为半波长微带线、半波长共面波导或半波长槽线。

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