CN103943919B - 一种恒定带宽的可调带通滤波器 - Google Patents

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一种具有恒定带宽的可调带通滤波器，属于电子技术领域。包括上层微带结构，中间层介质基板和下层接地金属板。微带结构由输入、输出微带线和六个谐振器组成的方形环状结构，每个谐振器由一条二分之一波长微带线和一个变容二极管组成。第一谐振器与输入馈电线间，以及第六谐振器与输出馈电线间平行耦合，第一、第二谐振器间，第三、第四谐振器间，以及第五、第六谐振器间通过接地传输线耦合，第二、第三谐振器间，以及第四、第五谐振器间平行耦合；此外，第二、第五谐振器间，以及第一、第六谐振器间增加交叉耦合来产生传输零点。本发明具有结构简单、易于调节的特点，实现了六阶恒定带宽的可调，并且引入交叉耦合，大大增加了滤波器的频率选择特性。

Description

一种恒定带宽的可调带通滤波器
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及射频/微波电子技术中的可调带通滤波器，尤其是具有恒定带宽特性可调带通滤波器。
背景技术
在6GHz以下的黄金频段，已存在各种制式的移动通信系统(如GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、LTE)、无线局域网(WLAN)等，因此支持多种制式无线通信的多频多模射频技术成为研究和应用热点。滤波器作为射频收发机的一个重要元件，承担着频率选择或者频率抑制的作用。若在多频多模射频收发机中采用多个滤波器，则不但成本高而且也不利于小型化。因此，可调或频率可控带通滤波器就成为解决以上问题的有效手段。
随着可调带通滤波器的发展以及实际应用的需要，最近许多研究者还开始关注具有恒定带宽的滤波器设计。在一些应用中，需要可调带通滤波器具有恒定的带宽。目前有部分文献已经提出来相应的解决方案：第一种方法是基于独立的电耦合和磁耦合特性，通过独立调控电耦合特性而实现了一种恒定带宽滤波器，如S.J.ParkandG.M.Rebeiz,“Low-losstwo-poletunablefilterswiththreedifferentpredefinedbandwidthcharacteristics,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.56,no.5,pp.1137-1148,May2008。第二种方法是采用谐振器间的分布式电容耦合效应补偿磁耦合，构建电磁混合耦合机制，从而实现恒定带宽可调滤波器，如M.A.El-TananiandG.M.Rebeiz,“Corrugatedmicrostripcoupledlinesforconstantabsolutebandwidthtunablefilters,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.58,no.4,pp.956-963,Apr.2010。第三中方法是利用对称谐振器奇模与偶模的独立调控特性成功构建了恒定带宽可调滤波器，如W.X.TangandJ.S.Hong,“Varactor-tuneddual-modebandpassfilters,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.58,no.8,pp.2213-2219,Aug.2010。但是以上这些结构复杂，设计方法只适合于二阶设计，无法扩展到三阶及以上的综合设计。为了解决这个问题，本发明提供一种具有恒定带宽的可调带通滤波器，可应用于高阶设计与综合。
发明内容
为了克服现有技术中恒定带宽带通滤波器存在的结构复杂，且只适合于二阶涉及，无法扩展到三阶以上的技术问题，本发明提供一种具有恒定带宽的可调带通滤波器。
本发明的技术方案是：
一种恒定带宽的可调带通滤波器，如图1所示，包括上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板。上层金属微带结构包括输入端口馈电线10、输出端口馈电线12和六段二分之一波长微带线1～6，所述六段二分之一波长微带线1～6和输入端口馈电线10以及输出端口馈电线12组成一个方形环状结构；其中第一二分之一波长微带线1、第二二分之一波长微带线2、第五二分之一波长微带线5和第六二分之一波长微带线6相互之间不连接组成方形环状结构的内环；输入端口馈电线10、第三二分之一波长微带线3、第四二分之一波长微带线4和输出端口馈电线12相互之间不连接组成方形环状结构的外环。方形环状结构的三个角上具有三段接地微带线7～9，接地微带线通过各自的金属过孔穿过中间层介质基板与下层金属接地板相连；另一个角上具有50Ω特性阻抗的输入传输线和输出传输线，其中输入传输线与输入端口馈电线10相连，输出传输线与输出端口馈电线12相连。输入端口馈电线10与第一二分之一波长微带线1平行，第三二分之一波长微带线3与第二二分之一波长微带线2平行，第四二分之一波长微带线4与第五二分之一波长微带线5平行，输出端口馈电线12与第六二分之一波长微带线6平行。第一二分之一波长微带线1与第一接地微带线7之间连接有第一变容二极管14，第二二分之一波长微带线2与第一接地微带线7之间连接有第二变容二极管15，第三二分之一波长微带线3与第二接地微带线8之间连接有第三变容二极管16，第四二分之一波长微带线4与第二接地微带线8之间连接有第四变容二极管17，第五二分之一波长微带线5与第三接地微带线9之间连接有第五变容二极管18，第六二分之一波长微带线6与第三接地微带线9之间连接有第六变容二极管19；所有变容二极管的接入方式均为正极接接地微带线，负极接二分之一波长微带线。
进一步地，如图3所示，上述恒定带宽的可调带通滤波器，所述六段二分之一波长微带线1～6具有相同的尺寸，长度记为L1，宽度记为W1；所述六个变容二极管14～19为相同的变容二极管，使用时施加相同的偏置电压，记为V1；输入端口馈电线10与第一二分之一波长微带线1之间的距离和输出端口馈电线12与第六二分之一波长微带线6之间的距离相等，记为S1；第二二分之一波长微带线2与第三二分之一波长微带线3之间的距离和第四二分之一波长微带线4与第五二分之一波长微带线5之间的距离相等，记为S2；第一接地微带线7与第三接地微带线9具有相同的尺寸，长度记为L2，宽度记为W2，金属过孔直径记为D1；第二接地微带线8的长度记为L3，宽度记为W3，金属过孔直径记为D1；第一二分之一波长微带线1中远离第一变容二极管14的端口与第六二分之一波长微带线6之间的距离S4和第五二分之一波长微带线5中远离第五变容二极管18的端口与第二二分之一波长微带线2之间的距离S3相等。
本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器，实质上是由输入端口馈电线10、输出端口馈电线12和六个谐振器组成一个方形环状结构，其中每个谐振器由一段二分之一波长微带线和一个变容二极管构成。输入端口馈电线10与第一谐振器之间的耦合方式为平行耦合，输出端口馈电线12与第六谐振器之间的耦合方式也为平行耦合，第一谐振器与第二谐振器之间通过第一接地传输线7进行耦合，第三谐振器与第四谐振器之间通过第二接地传输线8进行耦合，第五谐振器与第六谐振器之间通过第三接地传输线9进行耦合，第二谐振器与第三谐振器之间通过平行耦合的方式进行耦合，第四谐振器与第五谐振器之间也通过平行耦合的方式进行耦合；此外，第二谐振器与第五谐振器之间存在交叉耦合、第一谐振器与第六谐振器之间也存在交叉耦合。整个可调带通滤波器的拓扑结构如图2所示。
与现有技术相比，本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器具有结构简单、易于调节的特点，实现了六阶恒定带宽的可调，并且引入交叉耦合，大大增加了滤波器的频率选择特性。
附图说明
图1：本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器的结构图。
图2：本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器的拓扑结构图。
图3：本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器的结构示意图(附尺寸标注示意)。
图4：本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器的S21曲线图。
图5：本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器的S11曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但本发明要求保护的范围并不局限于下列表述的范围：
一种恒定带宽的可调带通滤波器，包括上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板。上层金属微带结构包括输入端口馈电线10、输出端口馈电线12和六段二分之一波长微带线1～6，所述六段二分之一波长微带线1～6和输入端口馈电线10以及输出端口馈电线12组成一个方形环状结构；其中第一二分之一波长微带线1、第二二分之一波长微带线2、第五二分之一波长微带线5和第六二分之一波长微带线6相互之间不连接组成方形环状结构的内环；输入端口馈电线10、第三二分之一波长微带线3、第四二分之一波长微带线4和输出端口馈电线12相互之间不连接组成方形环状结构的外环。方形环状结构的三个角上具有三段接地微带线7～9，接地微带线通过各自的金属过孔穿过中间层介质基板与下层金属接地板相连；另一个角上具有50Ω特性阻抗的输入传输线和输出传输线，其中输入传输线与输入端口馈电线10相连，输出传输线与输出端口馈电线12相连。输入端口馈电线10与第一二分之一波长微带线1平行，第三二分之一波长微带线3与第二二分之一波长微带线2平行，第四二分之一波长微带线4与第五二分之一波长微带线5平行，输出端口馈电线12与第六二分之一波长微带线6平行。第一二分之一波长微带线1与第一接地微带线7之间连接有第一变容二极管14，第二二分之一波长微带线2与第一接地微带线7之间连接有第二变容二极管15，第三二分之一波长微带线3与第二接地微带线8之间连接有第三变容二极管16，第四二分之一波长微带线4与第二接地微带线8之间连接有第四变容二极管17，第五二分之一波长微带线5与第三接地微带线9之间连接有第五变容二极管18，第六二分之一波长微带线6与第三接地微带线9之间连接有第六变容二极管19；所有变容二极管的接入方式均为正极接接地微带线，负极接二分之一波长微带线。
进一步地，上述恒定带宽的可调带通滤波器，所述六段二分之一波长微带线1～6具有相同的尺寸，长度记为L1，宽度记为W1；所述六个变容二极管14～19为相同的变容二极管，使用时施加相同的偏置电压，记为V1；输入端口馈电线10与第一二分之一波长微带线1之间的距离和输出端口馈电线12与第六二分之一波长微带线6之间的距离相等，记为S1；第二二分之一波长微带线2与第三二分之一波长微带线3之间的距离和第四二分之一波长微带线4与第五二分之一波长微带线5之间的距离相等，记为S2；第一接地微带线7与第三接地微带线9具有相同的尺寸，长度记为L2，宽度记为W2，金属过孔直径记为D1；第二接地微带线8的长度记为L3，宽度记为W3，金属过孔直径记为D1；第一二分之一波长微带线1中远离第一变容二极管14的端口与第六二分之一波长微带线6之间的距离S4和第五二分之一波长微带线5中远离第五变容二极管18的端口与第二二分之一波长微带线2之间的距离S3相等。
本发明提供的恒定带宽的可调带通滤波器，实质上是由输入端口馈电线10、输出端口馈电线12和六个谐振器组成一个方形环状结构，其中每个谐振器由一段二分之一波长微带线和一个变容二极管构成。输入端口馈电线10与第一谐振器之间的耦合方式为平行耦合，输出端口馈电线12与第六谐振器之间的耦合方式也为平行耦合，第一谐振器与第二谐振器之间通过第一接地传输线7进行耦合，第三谐振器与第四谐振器之间通过第二接地传输线8进行耦合，第五谐振器与第六谐振器之间通过第三接地传输线9进行耦合，第二谐振器与第三谐振器之间通过平行耦合的方式进行耦合，第四谐振器与第五谐振器之间也通过平行耦合的方式进行耦合；此外，第二谐振器与第五谐振器之间存在交叉耦合、第一谐振器与第六谐振器之间也存在交叉耦合，产生两对传输零点。整个可调带通滤波器的拓扑结构如图2所示。
谐振器与谐振器之间采用的平行耦合方式是一种混合电磁耦合的方式，耦合系数则由耦合线之间的长度和缝隙宽度决定；谐振器与谐振器之间采用的接地耦合方式是另一种混合电磁耦合的方式，耦合系数则由接地微带线的长度、宽度和和金属过孔的大小决定。如图2所示，J01、J23、J45、J25、J16、J67分别表示第一端口(输入端口馈电线)和第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器、第二谐振器和第五谐振器、第一谐振器和第六谐振器、第六谐振器和第二端口(输出端口馈电线)的导纳变换器；K12、K34、K56分别表示第一谐振器和第二谐振器、第三谐振器与第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器的阻抗变换器；Y0表示输入输出端口特性导纳；L1、L2、L3、L4、L5、L6分别表示第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器中二分之一波长微带线的长度；C1、C2、C3、C4、C5、C6分别表示第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器中变容二极管的等效电容。
本发明提供的恒定带宽的可调滤波器的结构如图1所示，相关尺寸规格如下图3所示。介质基板的厚度为0.8mm,相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。谐振器采用环形结构既可以有效减小滤波器的尺寸，又可以增加交叉耦合实现高频选特性。六个变容二极管均采用NXP的BB179。如图4所示，滤波器的各微带线及过孔尺寸参数如下：六段二分之一波长微带线的长度为L1＝23.0mm，宽度为W1＝0.5mm；第一接地传输线7和第三接地传输线9的长度L2＝7.5mm，宽度W2＝2.0mm；第二接地传输线8的长度L3＝8.0mm，宽度W3＝2.0mm；三段接地传输线7～9的金属过孔直径为D1＝1.0mm。输入传输线11和输出传输线13为特性阻抗等于50Ω的微带传输线。输入馈线10和第一谐振器之间，以及第六谐振器与输出馈线12之间的间隙为S1＝0.2mm；第二谐振器和第三谐振器之间，以及第四谐振器和第五谐振器之间的间隙为S2＝0.8mm；第一谐振器和第六谐振器之间的距离S4，第二谐振器和第五谐振器之间的距离S3，且S3＝S4＝0.3mm。通过选择这些微带线各自的长度与宽度及过孔的位置与尺寸，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和图5分别是按照上述参数设计出来的具有恒定带宽的六阶可调滤波器的传输特性与反射特性曲线图；传输特性与反射特性曲线图中的横轴表示频率，纵轴表述反射特性S11与传输特性S21。图4所得的通带中心频率可以实现2.05GHz到2.45GHz可调，-3dB处的带宽为620±20MHz，通带内的插入损耗为2.2dB,并且通带外的上、下频率处分别具有三个传输零点，实现了高频率选择特性。图5所得的反射特性表明，在可调的范围内，通带内实现了很好的匹配。

Claims (3)

1.一种恒定带宽的可调带通滤波器，包括上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板；上层金属微带结构包括输入端口馈电线(10)、输出端口馈电线(12)和六段二分之一波长微带线(1～6)，所述六段二分之一波长微带线(1～6)和输入端口馈电线(10)以及输出端口馈电线(12)组成一个方形环状结构；其中第一二分之一波长微带线(1)、第二二分之一波长微带线(2)、第五二分之一波长微带线(5)和第六二分之一波长微带线(6)相互之间不连接组成方形环状结构的内环；输入端口馈电线(10)、第三二分之一波长微带线(3)、第四二分之一波长微带线(4)和输出端口馈电线(12)相互之间不连接组成方形环状结构的外环；
方形环状结构的三个角上具有三段接地微带线(7～9)，接地微带线通过各自的金属过孔穿过中间层介质基板与下层金属接地板相连；另一个角上具有50Ω特性阻抗的输入传输线和输出传输线，其中输入传输线与输入端口馈电线(10)相连，输出传输线与输出端口馈电线(12)相连；
输入端口馈电线(10)与第一二分之一波长微带线(1)平行，第三二分之一波长微带线(3)与第二二分之一波长微带线(2)平行，第四二分之一波长微带线(4)与第五二分之一波长微带线(5)平行，输出端口馈电线(12)与第六二分之一波长微带线(6)平行；
第一二分之一波长微带线(1)与第一接地微带线(7)之间连接有第一变容二极管(14)，第二二分之一波长微带线(2)与第一接地微带线(7)之间连接有第二变容二极管(15)，第三二分之一波长微带线(3)与第二接地微带线(8)之间连接有第三变容二极管(16)，第四二分之一波长微带线(4)与第二接地微带线(8)之间连接有第四变容二极管(17)，第五二分之一波长微带线(5)与第三接地微带线(9)之间连接有第五变容二极管(18)，第六二分之一波长微带线(6)与第三接地微带线(9)之间连接有第六变容二极管(19)；所有变容二极管的接入方式均为正极接接地微带线，负极接二分之一波长微带线。
2.根据权利要求1所述恒定带宽的可调带通滤波器，其特征在于，所述六段二分之一波长微带线(1～6)具有相同的尺寸，长度记为L1，宽度记为W1；所述六个变容二极管(14～19)为相同的变容二极管，使用时施加相同的偏置电压，记为V1；输入端口馈电线(10)与第一二分之一波长微带线(1)之间的距离和输出端口馈电线(12)与第六二分之一波长微带线(6)之间的距离相等，记为S1；第二二分之一波长微带线(2)与第三二分之一波长微带线(3)之间的距离和第四二分之一波长微带线(4)与第五二分之一波长微带线(5)之间的距离相等，记为S2；第一接地微带线(7)与第三接地微带线(9)具有相同的尺寸，长度记为L2，宽度记为W2，金属过孔直径记为D1；第二接地微带线(8)的长度记为L3，宽度记为W3，金属过孔直径记为D1；第一二分之一波长微带线(1)中远离第一变容二极管(14)的端口与第六二分之一波长微带线(6)之间的距离S4和第五二分之一波长微带线(5)中远离第五变容二极管(18)的端口与第二二分之一波长微带线(2)之间的距离S3相等。
3.根据权利要求2所述恒定带宽的可调带通滤波器，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.8mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001；所述六个变容二极管均采用NXP的BB179；六段二分之一波长微带线的长度为L1＝23.0mm，宽度为W1＝0.5mm；第一接地微带线(7)和第三接地微带线(9)的长度L2＝7.5mm，宽度W2＝2.0mm；第二接地微带线(8)的长度L3＝8.0mm，宽度W3＝2.0mm；三段接地微带线(7～9)的金属过孔直径D1＝1.0mm；输入端口馈电线(10)与第一二分之一波长微带线(1)之间的距离以及输出端口馈电线(12)与第六二分之一波长微带线(6)之间的距离S1＝0.2mm；第二二分之一波长微带线(2)与第三二分之一波长微带线(3)之间的距离以及第四二分之一波长微带线(4)与第五二分之一波长微带线(5)之间的距离相等S2＝0.8mm；第一二分之一波长微带线(1)中远离第一变容二极管(14)的端口与第六二分之一波长微带线(6)之间的距离S4以及第五二分之一波长微带线(5)中远离第五变容二极管(18)的端口与第二二分之一波长微带线(2)之间的距离S3为S3＝S4＝0.3mm。
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