CN103390783A - 一种微波分布式可开关带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波分布式可开关带通滤波器，包括信号输入端和输出端、直流偏压输入端、结构相同且对称的两个谐振器、两个平行板电容、PIN管及射频扼流圈。每个谐振器在垂直和水平方向上进行弯折，包括一条低特性阻抗线（宽带线）和2条在水平方向上弯折成U型的高特性阻抗线（窄带线），且该U型窄带线的一端与宽带线相连，另一端与第二接地金属板连接。平行板电容与PIN管级联并通过通孔连接在谐振器的低特性阻抗线中心位置处，平行板电容经射频扼流圈接直流偏压输入端，信号输入端和输出端分别与两个谐振器直接耦合。本发明采用低温共烧陶瓷技术实现的滤波器尺寸小，且通过改变加载在PIN管上的偏压值，可以实现通带的开或关。

Description

一种微波分布式可开关带通滤波器

技术领域

本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种微波分布式可开关带通滤波器。

背景技术

可开关电路属于可重构微波通信电路中的一种，在现代无线通信系统中得到广泛的应用。为了满足这些需求，许多具有可开关的带通滤波器已经得到了很大的发展。对于可开关带通滤波器，将一个带通滤波器和一个开关集成在一个电路里，现在最有效的设计方法就是使用PIN管来控制通带的开或关。首先，基于集总或半集总元件并利用低温共烧陶瓷（low temperature co-firedceramic(LTCC)）技术的带通滤波器正雨后春笋般的涌现出来，但是随着频率的升高，寄生效应，不被希望的耦合效应和集总元件值，不能被准确的预测和控制。然而基于传输线理论的分布谐振器和滤波器就没有以上诸多问题但面临较大电路尺寸的劣势。其次，在LTCC带通滤波器的表面焊贴PIN管，可以在不增加电路额外尺寸的优势下首次实现通带可开关功能的带通滤波器。根据国内外的文献报道，在分布式带通滤波器设计中，运用分布参数法来设计并获得较小电路尺寸依然是主要的设计挑战。如何设计微波分布式但具有较小尺寸的微波分布式可开关带通滤波器，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，提供一种具有微波分布式可开关带通滤波器，利用LTCC技术实现电路的小型化及高性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微波分布式可开关带通滤波器，该滤波器是采用低温共烧陶瓷的多层结构技术实现，包括信号输入端、信号输出端、直流偏压输入端、第一至第三接地金属板、结构相同且对称设置在第一和第二接地金属板之间的两个谐振器；每个谐振器包括两条相同的高特性阻抗线和一条低特性阻抗线，每条高特性阻抗线在水平方向上弯折成U型且一端连接第二接地金属板、另一端与所述低特性阻抗线连接；所述滤波器还包括两个平行板电容、设置在与第三接地金属板共面上的两个PIN管和两个射频扼流圈；每个平行板电容的上导体设置在与第三接地金属板共面且分别与一个PIN管的正极以及一个射频扼流圈连接，每个平行板电容的下导体通过金属通孔连接在一个谐振器的低特性阻抗线的中心位置处；每个PIN管的负极接地；每个射频扼流圈的一端与平行板电容的上导体连接，另一端与所述直流偏压输入端连接；所述信号输入端与一个谐振器直接馈电；所述信号输出端与另一个谐振器直接馈电。

优选地，每个平行板电容的下导体通过金属通孔连接在一个谐振器的低特性阻抗传输线中心位置处。

优选地，每条高特性阻抗线的一端通过金属通孔与所述第二接地金属板连接、另一端通过金属通孔与所述低特性阻抗线连接。

优选地，每个谐振器的中心频率f₀由以下方程确定：

R_Z tanθ₁ tanθ₂-1＝0

其中，R_Z=Z₂/Z₁,Z₁为低特性阻抗线的特性阻抗，Z₂为每条高特性阻抗线的特性阻抗，θ₁为低特性阻抗线的电长度，θ₂为每条高特性阻抗线的电长度。优选地，所述信号输入端包括相连接的端口和馈电线，其馈电线与一个谐振器直接馈电；所述信号输出端包括相连接的端口和馈电线，其馈电线与另一个谐振器直接馈电。

本发明的微波分布式可开关带通滤波器具有以下有益效果：滤波器包括两个结构相同且对称设置的谐振器，每个谐振器的两条相同的高特性阻抗线在水平方向上弯折成U型且一端连接第二接地金属板、另一端与低特性阻抗线连接，实现了谐振器的终端短路，并使得本发明的基于传输线理论的LTCC滤波器具有较小的尺寸。另外，通过将级联的平行板电容和PIN管与谐振器的中心位置处相连，通过改变PIN管上的偏压值就可以实现PIN管的导通或截止，进而实现带通滤波器的可开关功能，且滤波器插入损耗小、带外抑制度高。

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1A为传统的中间加载终端短路的阶跃阻抗谐振器的示意图；

图1B为传统的中间加载终端短路的阶跃阻抗谐振器的偶模的等效电路图；

图1C为传统的中间加载终端短路的阶跃阻抗谐振器的奇模的等效电路图；

图2为本发明的微波分布式可开关带通滤波器的结构示意图；

图3A为本发明的谐振器的结构示意图；

图3B为本发明的高特性阻抗线和低特性阻抗线的结构示意图；

图4为本发明的谐振器的谐振频率的仿真与计算结果图；

图5是本发明的微波分布式可开关带通滤波器的在不同偏压下的频率响应的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。

图1A为传统的中间加载终端短路的阶跃阻抗谐振器（stepped-impedanceresonator(SIR)）的示意图，如图1所示，传统的终端短路的SIR具有高特性导纳Y₁和低特性导纳Y₂，所对应的电长度分别是2θ₁和θ₂，Y_L为中间加载的负载导纳，图1B和图1C为该SIR偶模和奇模情形下的等效电路。偶模（奇模）谐振频率与其基频（二次谐波）相对应。

参见图2和图3A，本发明的滤波器100包括信号输入端110、信号输出端120、直流偏压输入端130、第一至第三接地金属板G₁至G₃、两个谐振器140、两个平行板电容150、两个PIN管160（图3中的PIN管160为等效图）和两个射频扼流圈（RF choke）170。

两个谐振器140结构相同且对称设置在第一和第二接地金属板G₁和G₂之间。在本实施例中，两个谐振器140由LTCC技术实现，并利用LTCC的三维结构对其进行在水平和垂直方向上折叠，以利于电路尺寸的减小。具体地，如图2所示，每个谐振器140包括两条相同的高特性阻抗线141和一条低特性阻抗线142。其中，每条高特性阻抗线141在水平方向上弯折成U型，且一端通过金属通孔180连接第二接地金属板G₂，另一端通过金属通孔180与低特性阻抗线142连接。在本实施例中，每个平行板电容150的上导体设置在与第三接地金属板G₃共面上，且分别与一个PIN管160的正极以及一个射频扼流圈170连接，其下导体通过金属通孔180连接在一个谐振器140的低特性阻抗线142中心位置处。

PIN管可以焊贴在LTCC的表面用于实现滤波器100通带的开启或关闭。每个PIN管160的负极接地,每个射频扼流圈170的一端与平行板电容150的上导体连接，另一端与直流偏压输入端130连接。

在本实施例中，信号输入端110包括相连接的端口111和馈电线112，其馈电线112与一个谐振器140直接馈电，其端口111还用于连接测试板。信号输出端120包括相连接的端口111和馈电线112，其馈电线112与另一个谐振器140直接馈电，其端口111还用于连接测试板。

在本实施例中，首先忽视负载（即平行板电容150和PIN管160）Y_L即Y_L为零,只研究LTCC三维情形下SIR140的特性。如图3A和图3B所示，虽然主带状线之间有部分重叠，但是高/低阻抗线的特性阻抗和波导波长都可以用偏移的带状线模型并结合ADS软件计算得出。在三维高频结构电磁场仿真（HFSS）软件中先建图3A所示的三维模型，其中L₁=1.8mm，L₂=1.55mm，L₃=0.75mm，L₄=1.55mm，W₁=0.8mm，d₁=0.5mm，h=1mm，其中，L₁为低特性阻抗传输线142的长度的一半，L₂、L₃、L₄分别为高特性阻抗141的各部分长度，W₁为低特性阻抗线142的宽度，d₁为低特性阻抗线142到第一接地金属板G₁的距离，h为第一接地金属板G₁和第二接地金属板G₂之间的距离。LTCC的介电常数为5.9，金属导体厚度t=0.01mm，利用其仿真模型可以得到三维的谐振器140的谐振频率仿真值。同时，谐振器140的谐振频率也可通过经典的公式得出，即：

R_Z tanθ₁ tanθ₂-1＝0   （1）

其中R_Z=Z₂/Z₁，Z₁为低特性阻抗线142的特性阻抗，Z₂为每条高特性阻抗线141的特性阻抗，θ₁为低特性阻抗线142的电长度，θ₂为每条高特性阻抗线141的电长度。Z₁和Z₂可以通过上文所述的偏移带状线模型并利用ADS软件得出。这样便可以得到三维的谐振器140的谐振频率计算值。图4是本发明的谐振器140谐振频率的仿真与计算结果图，由图4可以看出，在d₂≤0.3mm时（d₂为高特性阻抗线和低特性阻抗线之间的距离），仿真值与计算值之间的偏差很小。因此，三维的LTCC谐振器140可以用平面的SIR来近似等效。

现在讨论加载负载元件的LTCC三维情形下SIR140。由半波长终端短路的谐振器电压分布可知，加载元件应位于谐振器的中心位置处。首先讨论PIN管截止的情形，当PIN管截止，其可等效为一电容。此时负载导纳Y_L=ωCC₁/(C+C₁)，其中C代表了等效电容的电容值，C₁为平行板电容150的电容值，ω为角频率。由于C接近于零，所以Y_L也就近视为零，也就是说，此时没有负载元件加载在谐振器140的中心位置处。由上文提到，如果Y_L为零，根据公式(1)，可以得到谐振器140的谐振频率f_even。

当PIN管导通时，其可等效为一电感。此时负载导纳Y_L=jωC₁/(1–ω²LC₁).，其中L代表了等效电感的电感值。由于L接近于零，而在射频环境下，Y_L也就近视认为无穷大。结果，SIR谐振器140原来偶模等效下的电路此时由奇模等效电路代替，换句话说就是谐振频率f_even消失了，SIR140此时的通带中心频率f₀为奇模谐振频率f_odd。

根据上述的分析及在HFSS软件中的优化，可以得到低特性阻抗线142长度的一半L₁=1.8mm，低特性阻抗线142宽度W₁=0.76mm，高特性阻抗线141的两边的长度分别为L₂=1.55mm、L₄=1.55mm，高特性阻抗线141的连接两边的底边的长度L₃=0.75mm，高特性阻抗线141宽度W₂=0.26mm，低特性阻抗线142与第一接地金属板G₁的距离d₁=0.5mm，高/低特性阻抗线142之间的距离d₂=0.2mm。

图5是本发明的微波分布式可开关带通滤波器100的在不同偏压（V_bias）下的频率响应的曲线图，当没有电压从直流偏压输入端130输入时（V_bias=0V），PIN管截止，此时通带开启，在通带的中心频率5.46GHz处的插入损耗为2.35dB。当从直流偏压输入端130输入的电压V_bias=0.8V时，PIN管导通,此时通带关闭，在原来整个通带内的衰减大于20dB。并且本发明的可开关滤波器100尺寸可以实现为5mm×4.4mm×1.6mm，满足了当前电路小尺寸的要求。

可见，本发明的滤波器100具有较小的尺寸。另外，本发明的滤波器100插入损耗小、带外抑制度高，进而性能高。再者，将级联的平行板电容150和PIN管160通过金属通孔180与谐振器140的中心位置处相连，通过改变PIN管160上的偏压值就可以实现PIN管160的导通或截止，实现带通滤波器100的可开关功能。

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 (5)

1.一种微波分布式可开关带通滤波器（100），该滤波器是采用低温共烧陶瓷的多层结构技术实现，其特征在于，包括信号输入端（110）、信号输出端（120）、直流偏压输入端（130）、第一至第三接地金属板（G₁至G₃）、结构相同且对称设置在第一和第二接地金属板（G₁和G₂）之间的两个谐振器（140）；每个谐振器（140）包括两条相同的高特性阻抗线（141）和一条低特性阻抗线（142），每条高特性阻抗线（141）在水平方向上弯折成U型且一端连接第二接地金属板（G₂）、另一端与所述低特性阻抗线（142）连接；所述滤波器（100）还包括两个平行板电容（150）、设置在与第三接地金属板（G₃）共面上的两个PIN管（160）和两个射频扼流圈（170）；每个平行板电容（150）的上导体设置在与第三接地金属板（G₃）共面且分别与一个PIN管（160）的正极以及一个射频扼流圈（170）连接，每个平行板电容（150）的下导体通过金属通孔连接在一个谐振器（140）的低特性阻抗线的中心位置处；每个PIN管（160）的负极接地；每个射频扼流圈（170）的一端与平行板电容（150）的上导体连接，另一端与所述直流偏压输入端（130）连接；所述信号输入端（110）与一个谐振器（140）直接馈电；所述信号输出端（120）与另一个谐振器（140）直接馈电。

2.根据权利要求1所述的微波分布式可开关带通滤波器（100），其特征在于，每个平行板电容（150）的下导体通过金属通孔连接在一个谐振器（140）的低特性阻抗线（142）中心位置处。

3.根据权利要求1所述的微波分布式可开关带通滤波器（100），其特征在于，每条高特性阻抗线（141）的一端通过金属通孔与所述第二接地金属板（G₂）连接、另一端通过金属通孔与所述低特性阻抗线（142）连接。

4.根据权利要求1所述的微波分布式可开关带通滤波器（100），其特征在于，每个谐振器（140）的中心频率f₀由以下方程确定：

R_Z tanθ₁ tanθ₂-1＝0

其中，R_Z=Z₂/Z₁,Z₁为低特性阻抗线（142）的特性阻抗，Z₂为每条高特性阻抗线（141）的特性阻抗，θ₁为低特性阻抗线（142）的电长度，θ₂为每条高特性阻抗线（141）的电长度。

5.根据权利要求1所述的微波分布式可开关带通滤波器（100），其特征在于，所述信号输入端（110）包括相连接的端口（111）和馈电线（112），其馈电线（112）与一个谐振器（140）直接馈电；所述信号输出端（120）包括相连接的端口（111）和馈电线（112），其馈电线（112）与另一个谐振器（140）直接馈电。

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