CN102664296B - 低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，解决了中心频率调谐范围内通带绝对带宽变化大，插入损耗大等问题。本发明将谐振器设计为半波长谐振器，为偶模单阶谐振器，包括三段微带线，左右两段相互对称，一端均通过至少一个变容二极管和中间一段微带线连接，一端接地，呈轴对称结构，或为U型，或为“一”字型结构。直流偏置电路接在变容管反偏工作位置。在58％的绝对调谐范围内，绝对带宽的变化范围为116M±9％，满足绝对带宽变化要求。本发明宽范围中心频率可调、绝对带宽恒定、插入损耗小、低成本、易加工，可应用在射频前端系统中，适应多种通信协议频段，如全球微波互联接入Wi-Fi，无线局域网WLAN。

Description

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器

技术领域

本发明属于射频电调带通滤波器技术领域，主要涉及宽范围中心频率可调的电调带通滤波器，具体是一种低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器。可应用在射频前端系统中，适应多种通信协议频段，如全球微波互联接入Wi-Fi，无线局域网WLAN。

背景技术

现代无线通信事业飞速发展，频谱占用越来越密集，导致频谱拥挤的问题日益突出。为了更高效地利用有限的频谱资源，扩频、跳频、动态频率分配等技术得到广泛的应用，电调可重构滤波器作为这些技术的关键器件越来越受到重视。电调滤波器在收发信机中，起到控制有用信号频率，抑制有害干扰频率，支持多信道通信的作用。电调可重构滤波器相对于机械调谐滤波器，其响应时间短、易于控制、结构简单。在现在通信系统中的应用日益广泛。在实际应用中，电调滤波器在发射机中位于天线之前起到后级滤波的作用，在接收机中在天线的后端起到选频的作用，将有用的信号频率从天线接收的大量频谱中选择出来。由于电磁环境日益复杂，频谱拥挤导致的干扰频率大量增加，电调滤波器在收发信机中，可以起到控制有用信号频率，抑制有害干扰频率，支持多信道通信的作用。

根据研究报道，多种不同的调谐器件也已经被集成进无源滤波器结构中，例如半导体变容二极管、射频微机电系统(RF MEMS)电容管以及其他基于功能性材料的元件，包括铁电薄膜材料变容管等。由于微带线滤波器能够以很小的尺寸来完成这类集成，因此，对于在微带线的基础上开发可调谐或可重构滤波器具有重要的应用价值。

目前，国内外进行了有关电调滤波器的一系列研究工作，并取得了一些成果。但是，射频电调带通滤波器普遍面临着以下一些缺陷：

(1)现代通信系统中，许多无线信道的绝对带宽是恒定不变的，因此，可调谐滤波器应用在这种场合时，需要在调谐中心频率时通带的绝对带宽和波形保持恒定不变。然而，现有技术中，随着中心频率的改变，绝对带宽往往剧烈变化。

(2)电调滤波器由于一般采用多阶谐振器结构，并且有额外的隔直电容等，使得滤波器的插入损耗较大且不同频率上的插入损耗差别较大，给系统设计中的链路增益分配带来不便。

(3)由于现有技术往往采用：把每一阶谐振器的一端通过接变容管接地，使得电调滤波器的调节范围较小，无法实现中心频率的大范围调谐。

针对中心频率调谐时通带绝对带宽改变这个问题，目前一些方法已经被提出来使中心频率调谐时带宽保持恒定。根据“Han-UI Moon；Seung-Un Choi；Young-Ho Cho；and Sang-Won Yun；Size-Reduced Tunable Hairpin Bandpass Filter using ApertureCoupling with Enhanced Selectivity and Constant Bandwidth，in MicrowaveSymposium Digest，pp.747-750，2008”所提供的分析可知，利用一个可变电容器来控制不同频率下的耦合量可以达到恒定的绝对带宽。这种方法的缺点是需要使用额外的电容来控制级间的耦合强度，导致调谐复杂。根据“Yi-Chyun Chiou；Rebeiz，G.M.；A Tunable Three-Pole1.5-2.2-GHz Bandpass Filter With Bandwidth andTransmission Zero Control，IEEE Trans Microw.Theory Tech.，pp.2214-2220，September2011，59，(9)”所提出的结构，由于引入除控制电长度的变容二极管外，还引入了额外的两个变容二极管和一段类似电感作用的微带线，分别控制电耦合和磁耦合，从而控制带宽。这将使实现过程中的插入损耗大为增大且调节非常繁琐。

无论是工业应用还是集成化的需要，尤其是移动终端和卫星通信系统的需求，都急需一种设计简单，低插损、绝对带宽恒定可靠的电调带通滤波器。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种结构简单、中心频率调谐范围宽、带宽恒定、插入损耗很小、低成本、易加工的射频微带可调滤波器，以满足移动终端和卫星通信系统的需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案说明如下：

本发明是一种低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，包括金属地板，介质基板，谐振器，变容管，直流偏置电路，输入微带线，输出微带线；输入微带线和输出微带线均为50Ω微带线；带通滤波电路的输入微带线通过匹配枝节连接到谐振器上，谐振器通过输出匹配枝节和输出微带线相连；直流偏置电路接在使变容管反偏工作的位置；谐振器、直流偏置电路、输入微带线、输出微带线均印制在介质基板上，本发明的谐振器为半波长谐振器，为偶模单阶谐振器，半波长谐振器包括三段微带线，左右两段微带线相互对称，该两段对称微带线的一端均通过至少一个变容二极管和中间的一段微带线相连接，三段微带线之间的位置间隔称为开口，该两段相互对称的微带线的另一端均设有接地孔，整体呈轴对称结构，直流偏置电路通过大电阻和短路线接在中间一段微带线中心，两个匹配调节电感分别焊接在输入匹配枝节和输入微带线以及输出匹配枝节和输出微带线之间。

本发明采用单阶谐振结构，输入输出直接馈电，使该滤波器的插损很小。同时，滤波器输入输出两端采用电感结合的匹配电路。在一定范围内使电感值变小，则带宽变大，插入损耗变小。

本发明的实现还在于：变容管二极对称放置级联，中心偏压馈电，两侧馈电点均位于左右两段微带线上，作为电调谐元件的变容二极管互为隔直电容，以减小损耗。

本发明的实现还在于：所述的滤波器通过调节匹配枝节的馈电点位置，匹配枝节的宽度，构成谐振器的三段微带线的宽度，以及电感值的大小，实现中心频率的宽范围调谐匹配。

本发明的实现还在于：构成半波长谐振器的左右两段对称微带线与中间一段微带线处在同一水平直线位置，形成“一”字型结构。

本发明的实现还在于：构成谐振器的左右两段微带线也可竖直放置，与中间一段微带线构成U型结构谐振器，以减小尺寸。

本发明的实现还在于：构成半波长谐振器的三段微带线之间相距0.3-3mm，既适宜变容二极管的大小，开口大小也将不影响该电路作为微波射频电路的特性。

本发明的实现还在于：所述的半波长谐振器两个开口位置，连接的变容二极管为一组，每组包括两个以上的变容二极管，提高整个滤波器的品质因数Q值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明采用了使两个开口处的变容二极管对称放置级联、中心馈电的结构，两侧馈电点均位于左右两段微带线上，从而避免了其引入额外的隔直电容带来的损耗，使该滤波器的损耗减小1dB以上。

2.本发明采用单阶谐振结构，输入微带线和输出微带线通过电感耦合，直接馈电，使该滤波器的损耗大为减小。

3.本发明采用轴对称结构，只需要一个直流控制电路，使其控制简单。

4.本发明可以简便地控制通带带宽，在微带印制电路确定后，通过在一定范围内改变所选电感元件值的大小，即可调节滤波器通带带宽的大小。

5.本发明的半波长谐振器通过中间一段微带线级联两个(或两组)变容二极管，增大了中心频率的调谐范围，频率变化范围为25％-60％。在下文的具体实施例7中，绝对调谐范围为58％。

6.本发明的电调带通滤波器在比较宽的中心频率调谐范围内，带宽仍可基本保持恒定。在下文的具体实施例7中，在58％的绝对调谐范围内，绝对带宽的变化范围为116M±9％，已经可以满足我们对于绝对带宽的变化要求。

7.本发明能根据实际需求进行自适应改进，通过改变谐振器长度、变容二极管的型号来调节谐振工作频段；通过改变馈电点与谐振器的连接位置，馈电匹配枝节的宽度和电感值，以及变容管两侧微带线的阻抗大小，改变外部Q值；从而满足不同的应用需求，设计简单灵活。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明具体实施例7中的插入损耗仿真和实测结果图，其中(a)是插入损耗仿真结果，(b)是实测结果；

图5是本发明具体实施例7中的回波损耗仿真和实测结果图，其中(a)是回波损耗仿真结果，(b)是实测结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步描述：

实施例1：

参见图1，本发明是一种低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，包括金属地板1，介质基板2，半波长谐振器3，变容管5，直流偏置电路8，输入微带线11和输出微带线，带通滤波电路的输入微带线通过匹配枝节9连接到半波长谐振器3上，半波长谐振器3通过输出匹配枝节9和输出微带线相连；直流偏置电路8接在使变容管反偏工作的位置，参见图1，谐振器、直流偏置电路、输入微带线、输出微带线均印制在介质基板上，侧视图参见图2。本发明的谐振器为半波长谐振器3，为偶模单阶谐振器，半波长谐振器包括三段微带线，左右两段微带线相互对称，该两段对称微带线的一端均通过至少一个变容二极管5和中间的一段微带线相连接，三段微带线之间的位置间隔称为开口，左右两段微带线与中间一段微带线相距0.5mm。

构成半波长谐振器3的左右两段对称微带线竖直放置，与中间一段微带线构成U型结构谐振器，以减小尺寸。该两段相互对称的微带线的另一端均设有接地孔4，整体呈轴对称结构，本发明采用轴对称结构，只需要一个直流控制电路，使其控制简单。直流偏置电路8通过大电阻7和短路线6接在中间一段微带线中心，两个匹配调节电感10分别焊接在输入匹配枝节和输入微带线以及输出匹配枝节和输出微带线之间。通过调节匹配枝节9的馈电点位置，匹配枝节9的宽度，构成谐振器的三段微带线的宽度，以及电感10值的大小，实现中心频率的宽范围匹配。

本发明采用了使两个开口处的变容二极管5对称放置级联、中心馈电的结构，两侧馈电点均位于左右两段微带线上，从而避免了其引入额外的隔直电容带来的损耗，使该滤波器的损耗减小1dB以上。

实施例2：

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器其的整体构成同实施例1，参见图3，构成半波长谐振器3的左右两段对称微带线与中间一段微带线在同一水平直线上，形成“一”字型结构。根据集成电路设计的方向，可以将输入微带线和输出微带线设计在同一侧，便于集成化。

实施例3：

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器其的整体构成同实施例1-2，三段微带线之间的位置间隔称为开口，左右两段微带线与中间一段相距0.3mm。

实施例4：

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器其的整体构成同实施例1-3，三段微带线之间的位置间隔称为开口，左右两段微带线与中间一段微带线相距3mm。

实施例5：

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器其的整体构成同实施例1-4，半波长谐振器3两个开口位置处，各自连接的变容二极管为一组，每组包括两个变容二极管。参见图1，在连接一个变容管的地方，换为两个并联连接的变容管，可以减小插入损耗，使通带频段向高处移动，提高品质因数Q值。

实施例6：

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器其的整体构成同实施例1-4，半波长谐振器3两个开口位置处，各自连接的变容二极管为一组，每组包括三个变容二极管。参见图1，在连接一个变容管的地方，换为三个并联连接的变容管，可以减小插入损耗，使通带频段向高处移动，提高品质因数Q值。

实施例7：

低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器其的整体构成同实施例1-6，

参见图1，本发明的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，包括：金属地板1，介质基板2，新型半波长谐振器3，金属化过孔4，变容二极管5，偏置电压电路8，匹配枝节9，耦合电感10，输入微带线11和输出微带线。

介质基板2的介电常数为2.65，边长为20mm×40mm，厚度为0.8mm；通过隔直电阻7连接偏置电压电路8，电阻值为1K-20KΩ，偏置电压电路8连接有直流电源。

参见图3，L₁表示谐振器两段对称微带线短路点距离输入输出馈电点的距离，L₂为谐振器两段对称微带线另一端距离输入输出馈电点的距离，L₃为谐振器中间一段微带线距离的一半；w₁为谐振器左右两段对称微带线的宽度，w₂为谐振器中间一段微带钱的宽度。

参见图1，其中，L₁＝5.5mm，L₂＝2.05mm，L₃＝2.05mm，w₁＝1.5mm，w₂＝2mm。两个端点的电压通过半径为0.8mm的金属化接地孔，被限制在电压零点，此时中心对称位置的耦合能量最大。同步改变两个变容管5的电容大小，相当于改变半波谐振器的等效电长度，从而可以改变其谐振频率。该发明应用简便，只用使用一个外部控制电压来同步调节变容管的大小，并且没有使用额外的隔直电容，因而避免了引入额外的插入损耗。传统滤波器一般使用电容进行输入、输出的能量耦合，这种设计所产生的带宽会随着频率的升高迅速变宽。本设计使用固定电感进行输入、输出的能量耦合，能在较宽范围内实现良好的阻抗匹配，这也是保证带宽恒定的重要因素之一，从式(4)，式(5)中得出。匹配枝节9长为L₀＝5.2mm，宽为w₀＝2.2mm。当电感值(两个电感值大小相同)一定时，通过外部偏置电压改变变容管的电容值，可以在很大的频率的变化范围内，使带宽在一个数值附近保持恒定。电感值减小时，带宽将会增大，而由公式(1)可以看出，插入损耗将会减小。

$\mathrm{\ΔL}=4.343\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Ω}}_c}{\mathrm{FBW}{Q}_{\mathrm{ui}}}{g}_i\mathrm{dB}---\left(1\right)$

其中ΔL是插入损耗，FBW是相对带宽，Q_ui是对应于g_i的无载品质因数，Ω_c是归一化截止频率(通常取值1)，n是滤波器阶数。

如图1所示，输入、输出馈电网络是由固定电感10来实现的。当半波长谐振器的频率调谐范围确定后，就可以选择合适的电感值，这种网络也会影响到外部品质因数Q_e。为了实现给定的带宽所要求的外部品质因数Q_e：

$Q_e=\frac{f_0}{\mathrm{BW}\sqrt{g_0{g}_1}}---\left(2\right)$

为了达到恒定的绝对带宽，外部品质因数要随着中心频率的增大而增大。如图3所示，该结构关于AB轴对称，本发明利用了偶模谐振，AB处相当于开路。在忽略变容二极管的寄生效应和微带线的非连续性的情况下，从输入端口看，谐振器的输入导纳为：

$Z_l=\frac{1}{\frac{1}{j{Z}_1\tan {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{Z_2+(\frac{1}{\mathrm{\ωC}}+Z_3\cot {\mathrm{\θ}}_3)\tan {\mathrm{\θ}}_2}{Z_2(\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}-j{Z}_3\cot {\mathrm{\θ}}_3)+j{Z}_2^2\tan {\mathrm{\θ}}_2}}---\left(3\right)$

式中Z₁，Z₂，Z₃，θ₁，θ₂，θ₃分别为二分之一波长谐振器各段的特性阻抗和电长度。整体的输入阻抗为：

$Z_{\mathrm{in}}=\mathrm{j\ωL}+Z_0\frac{Z_l+j{Z}_0\tan \mathrm{\θ}}{Z_0+j{Z}_l\tan \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

根据J.S.Hong所阐述的滤波器设计理论，设计中的实际的品质因数Q_e′为：

$Q_e^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Y_0}\frac{\∂\mathrm{Im}\left[Y_{\mathrm{in}}\right]}{\∂\mathrm{\ω}}{|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0}---\left(5\right)$

其中Y₀是50Ω射频系统的特征导纳。式(2)为理论要求的外部品质因数，式(5)为此设计中实际的外部品质因数，当式(5)中品质因数随中心频率的增大而增大时，可满足式(2)所示品质因数的要求。根据式(3)、式(4)、式(5)可知，外部品质因数由Z₁，Z₂，Z₃，θ₁，θ₂，θ₃，L，C的大小决定。

本发明能根据实际需求进行自适应改进，通过改变谐振器长度、变容二极管的型号来调节谐振工作频段；通过改变馈电点与谐振器的连接位置，馈电匹配枝节的宽度和电感值，以及变容管两侧微带线的阻抗大小，改变外部Q值；从而满足不同的应用需求，设计简单灵活。

本发明的实施例7的效果可通过以下结果图进一步说明：

对本发明实施例7的插入损耗和回波损耗进行仿真和测量，图4(a)是插入损耗仿真结果，图4(b)是插入损耗实测结果；图5(a)是回波损耗仿真结果，图5(b)是回波损耗实测结果。

本发明在1.38-2.50G的频段内工作，频率变化范围为58％。整个频段内插入损耗为3.9-2.4dB，绝对带宽的变化范围为116M±9％，基本看做是带宽不变的。

上述的实例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，包括金属地板，介质基板，谐振器，变容管，直流偏置电路，输入微带线，输出微带线；带通滤波电路的输入微带线通过匹配枝节连接到谐振器上，谐振器通过输出匹配枝节和输出微带线相连，直流偏置电路接在使变容管反偏工作的位置；谐振器、直流偏置电路、输入微带线、输出微带线均印制在介质基板上；其特征在于：所述谐振器为半波长谐振器(3)，为偶模单阶谐振器，半波长谐振器包括三段微带线，左右两段微带线相互对称，该两段对称微带线的一端均通过至少一个变容二极管(5)和中间的一段微带线相连接，三段微带钱之间的位置间隔称为开口，该两段相互对称的微带线的另一端均设有接地孔(4)，整体呈轴对称结构，直流偏置电路(8)通过大电阻(7)和短路线(6)接在中间一段微带线中心，两个匹配调节电感(10)分别焊接在输入匹配枝节和输入微带线以及输出匹配枝节和输出微带线之间。

2.根据权利要求1所述的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，其特征在于：变容二极管(5)对称放置级联，中心偏压馈电，两侧馈电点均位于左右两段微带线上，所述两个变容二极管(5)互为隔直电容。

3.根据权利要求2所述的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，其特征在于：所述的滤波器通过调节匹配枝节(9)的馈电点位置，匹配枝节(9)的宽度，构成谐振器的三段微带线的宽度，以及电感(10)值的大小，实现中心频率的宽范围匹配。

4.根据权利要求1所述的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，其特征在于：构成半波长谐振器(3)的左右两段对称微带线与中间一段微带线处在同一水平直线位置，形成“一”字型结构。

5.根据权利要求1所述的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，其特征在于：构成谐振器的左右两段对称微带线也可竖直放置，与中间一段微带线构成U型结构谐振器，以减小尺寸。

6.根据权利要求4或5所述的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，其特征在于：构成半波长谐振器(3)的三段微带线之间，左右两段对称微带线与中间一段微带线相距0.3-3mm。

7.根据权利要求6所述的低插损、绝对带宽恒定的电调带通滤波器，其特征在于：所述的半波长谐振器(3)两个开口位置，连接的变容二极管为一组，每组包括两个以上的变容二极管。