CN104143674B - 带宽恒定的三阶电调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选择性高、电调控制简单、整体尺寸较小且在滤波器中心频率可调过程中能够保持绝对带宽固定的带宽恒定的三阶电调带通滤波器。本发明所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器通过调节加载到主传输线上的变容管来实现外部Q值的调整，第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器采用统一电压馈电，并且可以通过改变加载到带阻单元上的电容来灵活的调节低频处的带外抑制水平，控制简单，便于设计，选择性高且调节过程中绝对带宽保持恒定，另外，在保证了高选择性和谐波抑制功能的前提下，采用带阻单元结合带通滤波器设计，大大降低了滤波器的整体尺寸。适合在滤波器技术领域推广运用。

Description

带宽恒定的三阶电调带通滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种带宽恒定的三阶电调带通滤波器。

背景技术

随着无线通信技术的发展，尤其是认知无线电、电子作战的发展，在宽带、小型化、多协议、可重构等方面给无线收发机提出了苛刻的要求，迫切需要无线收发机突破传统通信制式的固定模式，在一定范围内实现其载频、带宽以及波束方向等指标的自由可调/可切换，从而构建多模通信链路，达到提高抗干扰能力及鲁棒性、增加频谱的利用率、扩大通信容量及服务质量之目的。由于滤波器是构成无线电信号收发的空中接口，研究可调滤波器将具有特别重要的意义。

考虑到在实际应用中，信道带宽往往是固定的，并不随着载波的频率而变化，所以在中心频率可调过程中保持固定绝对带宽的可调滤波器具有较强的应用前景。在这个研究领域，目前已经有一些研究报道，多种结构的固定绝对带宽的可调滤波器已经被提出。但是，近年来无线频谱的日益拥挤和干扰信号日益增多等实际背景都对可调滤波器的选择性提出了更高的要求。

目前已经有几种高选择性的可调滤波器的设计方法，典型的有：第一种方法是根据滤波器综合理论，构建高阶(>3阶)可调滤波器来实现高选择性，如C.Yi-Chyun,and G.M.Rebeiz,“Tunable 1.55-2.1GHz 4-Pole Elliptic Bandpass Filter With Bandwidth Control>50dBRejection for Wireless Systems,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.61,no.1,pp.117-124,2013。第二种方法是采用带通滤波器和带阻滤波器集成在一起的方法来提高某频段的谐波抑制。如E.J.Naglich,J.Lee,D.Peroulis,and W.J.Chappell,“Bandpass-Bandstop Filter Cascade Performance Over Wide Frequency Tuning Ranges,”IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.58,no.12,pp.3945-3953,2010。

但是，上述设计方法在实际使用过程中存在如下的技术缺陷：一是现有的可调高阶滤波器一般为4阶，而且设计过程中可调参数较多，控制起来极为复杂；二是将带阻滤波器和可调带通滤波器结合来提高选择性的方法会增加整体滤波器的尺寸，限制其应用场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种选择性高、电调控制简单、整体尺寸较小且在滤波器中心频率可调过程中能够保持绝对带宽固定的带宽恒定的三阶电调带通滤波器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：该带宽恒定的三阶电调带通滤波器，包含上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属，所述上层微带结构包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、主传输线、第一带阻单元、第二带阻单元，所述第一谐振器、第三谐振器结构相同且对称的设置在第二谐振器的两侧，所述第一带阻单元、第二带阻单元结构相同且对称的设置在第二谐振器的两侧；

所述第二谐振器包括第二微带线A、第二微带线B、第二微带线C、第二微带线D、第二隔直电容、第二变容二极管，所述第二微带线A与第二微带线D平行设置，第二微带线B、第二微带线C设置在第二微带线A与第二微带线D之间，第二微带线B连接在第二微带线A的一端且与第二微带线A垂直设置，第二微带线A的另一端通过接地过孔与下层金属接地板相连，第二微带线C连接在第二微带线D的一端且与第二微带线D垂直设置，第二微带线D的另一端通过接地过孔与下层金属接地板相连，所述第二微带线B依次通过第二隔直电容、第二变容二极管与第二微带线C相连；

所述第一谐振器包括第一微带线A、第一微带线B、第一微带线C、第一隔直电容、第一变容二极管，第一微带线C设置在第二微带线A的外侧且与第二微带线A平行设置形成平行耦合，所述第一微带线A设置在第一微带线C的外侧且与第一微带线C平行设置，第一微带线B的两端分别与第一微带线A的一端、第一微带线C的一端相连且第一微带线B分别与第一微带线A、第一微带线C垂直设置，第一微带线C的另一端依次通过第一隔直电容、第一变容二极管与接地端相连；

所述第三谐振器包括第三微带线A、第三微带线B、第三微带线C、第三隔直电容、第三变容二极管，第三微带线C设置在第二微带线D的外侧且与第二微带线D平行设置形成平行耦合，所述第三微带线A设置在第三微带线C的外侧且与第三微带线C平行设置，第三微带线B的两端分别与第三微带线A的一端、第三微带线C的一端相连且第三微带线B分别与第三微带线A、第三微带线C垂直设置，第三微带线C的另一端依次通过第三隔直电容、第三变容二极管与接地端相连；

所述第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管具有相同的偏置电压；

所述第一带阻单元包括多段第一带阻微带线，所述多段第一带阻微带线依次首尾相连，所述第一带阻单元的末端连接有第一片状微带线，第一片状微带线通过第一固定电容与接地端相连；所述第二带阻单元包括多段第二带阻微带线，所述多段第二带阻微带线依次首尾相连，所述第二带阻单元的末端连接有第二片状微带线，第二片状微带线通过第二固定电容与接地端相连；

所述主传输线由第一传输线和第二传输线组成，所述第一传输线与第二传输线结构相同且沿第二谐振器的中心线对称设置，所述第一传输线包括依次首尾相连的第一传输微带线A、第一传输微带线B、第一传输微带线C、第一传输微带线D、第一传输微带线E、第一传输微带线F、第一匹配电容、第一传输变容二极管A、第一传输变容二极管B，所述第一匹配电容设置在第一传输微带线A与第一传输微带线B之间，所述第一传输微带线F的末端依次通过第一传输变容二极管A、第一传输变容二极管B与接地端相连，所述第一传输变容二极管A、第一传输变容二极管B互为隔直电容，所述第一传输微带线C与第一微带线A平行设置形成平行耦合，第一传输微带线D与第一微带线B平行设置形成平行耦合，第一传输微带线E与第二微带线A平行设置形成平行耦合，第一传输微带线F与第二微带线B平行设置形成平行耦合；所述第二传输线包括依次首尾相连的第二传输微带线A、第二传输微带线B、第二传输微带线C、第二传输微带线D、第二传输微带线E、第二传输微带线F、第二匹配电容、第二传输变容二极管A、第二传输变容二极管B，所述第二匹配电容设置在第二传输微带线A与第二传输微带线B之间，所述第二传输微带线F的末端依次通过第二传输变容二极管A、第二传输变容二极管B与接地端相连，所述第二传输变容二极管A、第二传输变容二极管B互为隔直电容，所述第二传输微带线C与第三微带线A平行设置形成平行耦合，第二传输微带线D与第三微带线B平行设置形成平行耦合，第二传输微带线E与第二微带线D平行设置形成平行耦合，第二传输微带线F与第二微带线C平行设置形成平行耦合。

进一步的是，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器均为四分之一波长谐振器。

进一步的是，所述第一微带线A与第一传输微带线C形成的平行耦合、第一微带线B与第一传输微带线D形成的平行耦合、第一微带线C与第二微带线A形成的平行耦合满足以下公式：

$f_1=\frac{Y_1\cot \frac{2{\mathrm{\πf}}_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_1}{c}}{2{\mathrm{\πC}}_{T1}}$

其中f₁为第一谐振器的谐振频率，C_T1为第一隔直电容与第一变容二极管的串联值，l₁为第一微带线A、第一微带线B、第一微带线C的总长度值，Y₁为第一微带线A、第一微带线B、第一微带线C的导纳值，c为真空中的光速，εr为介质基板的介电常数。

进一步的是，第二微带线A与第一传输微带线E形成的平行耦合、第二微带线B与第一传输微带线F形成的平行耦合、第二微带线C与第二传输微带线F形成的平行耦合、第二微带线D与第二传输微带线E形成的平行耦合满足以下公式：

$f_2=\frac{Y_2\cot \frac{2{\mathrm{\πf}}_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_2}{c}}{4{\mathrm{\πC}}_{T2}}$

其中f₂为第二谐振器的谐振频率，C_T2为第二隔直电容与第二变容二极管的串联值，l₂为第二微带线A、第二微带线B的总长度值，Y₂为第二微带线A、第二微带线B的导纳值，c为真空中的光速，εr为介质基板的介电常数。

进一步的是，所述第一带阻单元的多段第一带阻微带线总电长度为θ_b1，长度为l_b1，导纳为Y_b1；第一片状微带线的电长度为θ_b2，长度为l_b2，导纳为Y_b2；第一固定电容的电容值C_b在10-40pF之间，并满足以下公式：

Y_b1-(2Y_b2tanθ_b2+2πf_zC_b)tanθ_b1＝0

其中f_z为低频处传输零点的频率。

进一步的是，所述第一传输线的第一传输微带线C、第一传输微带线D、第一传输微带线E、第一传输微带线F的总物理长度为l_p，电长度为θ_p，导纳为Y_p，第一传输变容二极管A与第一传输变容二极管B的总电容值为C_T3，且满足以下公式：

$Q_e=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Y_p}\·\frac{\∂\mathrm{Im}\[Y_{in}\]}{\∂\mathrm{\ω}},Y_{in}=\frac{{\mathrm{j\ωC}}_p{Y}_{in1}}{{\mathrm{j\ωC}}_p+Y_{in1}},Y_{in1}={\mathrm{jY}}_p\frac{{\mathrm{\ωC}}_{T3}+Y_p{\mathrm{tan\θ}}_p}{Y_p-{\mathrm{\ωC}}_{T3}{\mathrm{tan\θ}}_p}$

其中Q_e为滤波器的外部Q值，C_p为第一匹配电容的电容值，j为虚部符号，ω为角速度，ω₀为滤波器中心频率f₀处的角速度。

进一步的是，所述第一微带线C与第二微带线A形成的平行耦合的耦合长度为l_c，耦合间距为g_c，耦合系数k₁₂满足：

$k_{12}=\±\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{\ω}}_{02}}{{\mathrm{\ω}}_{01}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{02}})\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_1^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_1^2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{02}^2-{\mathrm{\ω}}_{01}^2}{{\mathrm{\ω}}_{02}^2+{\mathrm{\ω}}_{01}^2}\right)}^2}$

ω₀₁为第一谐振器的固有频率，ω₀₂为第二谐振器的固有频率；ω₁表示第一谐振器与第二谐振器形成的耦合谐振器在频率低端的振荡点，ω₂表示第一谐振器与第二谐振器形成的耦合谐振器在频率高端的振荡点。

进一步的是，所述第一谐振器和第二谐振器之间的耦合系数为k₁₂，第一带阻单元的外部Q值Q_e满足以下条件：

$k_{12}=\frac{BW}{f_0\sqrt{g_1{g}_2}}$

$Q_e=\frac{f_0}{BW}$

其中BW为绝对带宽，f0为滤波器的中心频率，g1为第一谐振器的低通原型综合参数，g2为第二谐振器的低通原型综合参数。

本发明的有益效果在于：本发明所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器通过调节加载到主传输线上的变容管来实现外部Q值的调整，第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器采用统一电压馈电，并且可以通过改变加载到带阻单元上的电容来灵活的调节低频处的带外抑制水平，控制简单，便于设计，选择性高且调节过程中绝对带宽保持恒定，另外，在保证了高选择性和谐波抑制功能的前提下，采用带阻单元结合带通滤波器设计，大大降低了滤波器的整体尺寸。

附图说明

图1为本发明带宽恒定的三阶电调带通滤波器的三维结构示意图；

图2是在不同尺寸下，第一谐振器的谐振频率随可调电容的变化趋势图；

图3是在不同尺寸下，第二谐振器的谐振频率随可调电容的变化趋势图；

图4是在不同的耦合参数下，第一谐振器与第二谐振器之间的耦合系数k₁₂随可调电容值变化趋势图；

图5是加载带阻单元对滤波器选择性能的影响图；

图6是低频处带外抑制随带阻单元上加载电容变化图；

图7是本发明具体实施例的传输特性和反射特性测试结果图；

图8是本发明具体实施例中的的仿真和实际测量的传输特性和反射特性测试结果图；

附图标记说明：第一谐振器1、第一微带线A 101、第一微带线B 102、第一微带线C 103、第一隔直电容104、第一变容二极管105、第二谐振器2、第二微带线A 201、第二微带线B202、第二微带线C 203、第二微带线D 204、第二隔直电容205、第二变容二极管206、第三谐振器3、第三微带线A 301、第三微带线B 302、第三微带线C 303、第三隔直电容304、第三变容二极管305、主传输线4、第一传输线41、第一传输微带线A 411、第一传输微带线B 412、第一传输微带线C 413、第一传输微带线D 414、第一传输微带线E 415、第一传输微带线F 416、第一匹配电容417、第一传输变容二极管A 418、第一传输变容二极管B 419、第二传输线42、第二传输微带线A 421、第二传输微带线B 422、第二传输微带线C 423、第二传输微带线D 424、第二传输微带线E 425、第二传输微带线F 426、第二匹配电容427、第二传输变容二极管A 428、第二传输变容二极管B 429、第一带阻单元5、第一带阻微带线501、第一片状微带线502、第一固定电容503、第二带阻单元6、第二带阻微带线601、第二片状微带线602、第二固定电容603。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，该带宽恒定的三阶电调带通滤波器，包含上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属，所述上层微带结构包括第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3、主传输线4、第一带阻单元5、第二带阻单元6，所述第一谐振器1、第三谐振器3结构相同且对称的设置在第二谐振器2的两侧，所述第一带阻单元5、第二带阻单元6结构相同且对称的设置在第二谐振器2的两侧；

所述第二谐振器2包括第二微带线A201、第二微带线B202、第二微带线C203、第二微带线D204、第二隔直电容205、第二变容二极管206，所述第二微带线A201与第二微带线D204平行设置，第二微带线B202、第二微带线C203设置在第二微带线A201与第二微带线D204之间，第二微带线B202连接在第二微带线A201的一端且与第二微带线A201垂直设置，第二微带线A201的另一端通过接地过孔与下层金属接地板相连，第二微带线C203连接在第二微带线D204的一端且与第二微带线D204垂直设置，第二微带线D204的另一端通过接地过孔与下层金属接地板相连，所述第二微带线B202依次通过第二隔直电容205、第二变容二极管206与第二微带线C203相连；

所述第一谐振器1包括第一微带线A101、第一微带线B102、第一微带线C103、第一隔直电容104、第一变容二极管105，第一微带线C103设置在第二微带线A201的外侧且与第二微带线A201平行设置形成平行耦合，所述第一微带线A101设置在第一微带线C103的外侧且与第一微带线C103平行设置，第一微带线B102的两端分别与第一微带线A101的一端、第一微带线C103的一端相连且第一微带线B102分别与第一微带线A101、第一微带线C103垂直设置，第一微带线C103的另一端依次通过第一隔直电容104、第一变容二极管105与接地端相连；

所述第三谐振器3包括第三微带线A301、第三微带线B302、第三微带线C303、第三隔直电容304、第三变容二极管305，第三微带线C303设置在第二微带线D204的外侧且与第二微带线D204平行设置形成平行耦合，所述第三微带线A301设置在第三微带线C303的外侧且与第三微带线C303平行设置，第三微带线B302的两端分别与第三微带线A301的一端、第三微带线C303的一端相连且第三微带线B302分别与第三微带线A301、第三微带线C303垂直设置，第三微带线C303的另一端依次通过第三隔直电容304、第三变容二极管305与接地端相连；

所述第一变容二极管105、第二变容二极管206、第三变容二极管305具有相同的偏置电压；

所述第一带阻单元5包括多段第一带阻微带线501，所述多段第一带阻微带线501依次首尾相连，所述第一带阻单元5的末端连接有第一片状微带线502，第一片状微带线502通过第一固定电容503与接地端相连；所述第二带阻单元6包括多段第二带阻微带线601，所述多段第二带阻微带线601依次首尾相连，所述第二带阻单元6的末端连接有第二片状微带线602，第二片状微带线602通过第二固定电容603与接地端相连；

所述主传输线4由第一传输线41和第二传输线42组成，所述第一传输线41与第二传输线42结构相同且沿第二谐振器2的中心线对称设置，所述第一传输线41包括依次首尾相连的第一传输微带线A411、第一传输微带线B412、第一传输微带线C413、第一传输微带线D414、第一传输微带线E415、第一传输微带线F416、第一匹配电容417、第一传输变容二极管A418、第一传输变容二极管B419，所述第一匹配电容417设置在第一传输微带线A411与第一传输微带线B412之间，所述第一传输微带线F416的末端依次通过第一传输变容二极管A418、第一传输变容二极管B419与接地端相连，所述第一传输变容二极管A418、第一传输变容二极管B419互为隔直电容，所述第一传输微带线C413与第一微带线A101平行设置形成平行耦合，第一传输微带线D414与第一微带线B102平行设置形成平行耦合，第一传输微带线E415与第二微带线A201平行设置形成平行耦合，第一传输微带线F416与第二微带线B202平行设置形成平行耦合；所述第二传输线42包括依次首尾相连的第二传输微带线A421、第二传输微带线B422、第二传输微带线C423、第二传输微带线D424、第二传输微带线E425、第二传输微带线F426、第二匹配电容427、第二传输变容二极管A428、第二传输变容二极管B429，所述第二匹配电容427设置在第二传输微带线A421与第二传输微带线B422之间，所述第二传输微带线F426的末端依次通过第二传输变容二极管A428、第二传输变容二极管B429与接地端相连，所述第二传输变容二极管A428、第二传输变容二极管B429互为隔直电容，所述第二传输微带线C423与第三微带线A301平行设置形成平行耦合，第二传输微带线D424与第三微带线B302平行设置形成平行耦合，第二传输微带线E425与第二微带线D204平行设置形成平行耦合，第二传输微带线F426与第二微带线C203平行设置形成平行耦合。

本发明所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器通过调节加载到主传输线4上的变容管来实现外部Q值的调整，第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3采用统一电压馈电，并且可以通过改变加载到带阻单元上的电容来灵活的调节低频处的带外抑制水平，控制简单，便于设计，选择性高且调节过程中绝对带宽保持恒定，另外，在保证了高选择性和谐波抑制功能的前提下，采用带阻单元结合带通滤波器设计，大大降低了滤波器的整体尺寸。

为了保证控制更加方便快捷，所述第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3均为四分之一波长谐振器。

所述第一谐振器1的微带线物理结构尺寸可以根据实际情况而定，作为优选的方式是：所述第一微带线A101与第一传输微带线C413形成的平行耦合、第一微带线B102与第一传输微带线D414形成的平行耦合、第一微带线C103与第二微带线A201形成的平行耦合满足以下公式：

$f_1=\frac{Y_1\cot \frac{2{\mathrm{\πf}}_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_1}{c}}{2{\mathrm{\πC}}_{T1}}$

其中f₁为第一谐振器1的谐振频率，C_T1为第一隔直电容104与第一变容二极管105的串联值，l₁为第一微带线A101、第一微带线B102、第一微带线C103的总长度值，Y₁为第一微带线A101、第一微带线B102、第一微带线C103的导纳值，c为真空中的光速，εr为介质基板的介电常数。采用数值计算的方式，根据该公式可以计算出第一谐振器1的可调范围，具体计算实例如图2所示。

所述第二谐振器2的物理结构尺寸可以根据实际情况而定，作为优选的方式是：第二微带线A201与第一传输微带线E415形成的平行耦合、第二微带线B202与第一传输微带线F416形成的平行耦合、第二微带线C203与第二传输微带线F426形成的平行耦合、第二微带线D204与第二传输微带线E425形成的平行耦合满足以下公式：

$f_2=\frac{Y_2\cot \frac{2{\mathrm{\πf}}_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_2}{c}}{4{\mathrm{\πC}}_{T2}}$

其中f₂为第二谐振器2的谐振频率，C_T2为第二隔直电容205与第二变容二极管206的串联值，l₂为第二微带线A201、第二微带线B202的总长度值，Y₂为第二微带线A201、第二微带线B202的导纳值，c为真空中的光速，εr为介质基板的介电常数。采用数值计算的方式，根据该公式可以计算出第二谐振器2的可调范围，具体计算实例如图3所示。

所述第一带阻单元5与第二带阻单元6的结构尺寸均相同，为了在保证高选择性和谐波抑制功能的前提下，最大限度的降低滤波器的整体尺寸，所述第一带阻单元5的多段第一带阻微带线501总电长度为θ_b1，长度为l_b1，导纳为Y_b1；第一片状微带线502的电长度为θ_b2，长度为l_b2，导纳为Y_b2；第一固定电容503的电容值C_b在10-40pF之间，并满足以下公式：

Y_b1-(2Y_b2tanθ_b2+2πf_zC_b)tanθ_b1＝0

其中f_z为低频处传输零点的频率。为了在保持滤波器的小型化基础上，增强选择性，引入带阻单元来提高滤波器低频处的带外抑制，可以看到在加载带阻单元之后，滤波器低频处的带外抑制显著提升，并且可以通过控制加载到其上的电容来调节其零点位置，如图5、图6所示。

为了方便对滤波器的外部Q值进行调节，所述第一传输线41的第一传输微带线C413、第一传输微带线D414、第一传输微带线E415、第一传输微带线F416的总物理长度为l_p，电长度为θ_p，导纳为Y_p，第一传输变容二极管A418与第一传输变容二极管B419的总电容值为C_T3，且满足以下公式：

$Q_e=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Y_p}\·\frac{\∂\mathrm{Im}\[Y_{in}\]}{\∂\mathrm{\ω}},Y_{in}=\frac{{\mathrm{j\ωC}}_p{Y}_{in1}}{{\mathrm{j\ωC}}_p+Y_{in1}},Y_{in1}={\mathrm{jY}}_p\frac{{\mathrm{\ωC}}_{T3}+Y_p{\mathrm{tan\θ}}_p}{Y_p-{\mathrm{\ωC}}_{T3}{\mathrm{tan\θ}}_p}$

其中Q_e为滤波器的外部Q值，C_p为第一匹配电容417的电容值，j为虚部符号，ω为角速度，ω₀为滤波器中心频率f₀处的角速度。

耦合系数k₁₂即为第一谐振器1和第二谐振器2之间的耦合系数，是决定滤波器在可调过程中能保持常绝对带宽的设计，为了保证滤波器在可调过程中能保持常绝对带宽，所述第一微带线C103与第二微带线A201形成的平行耦合的耦合长度为l_c，耦合间距为g_c，耦合系数k₁₂满足：

$k_{12}=\±\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{\ω}}_{02}}{{\mathrm{\ω}}_{01}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{02}})\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_1^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_1^2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{02}^2-{\mathrm{\ω}}_{01}^2}{{\mathrm{\ω}}_{02}^2+{\mathrm{\ω}}_{01}^2}\right)}^2}$

ω₀₁为第一谐振器1的固有频率，ω₀₂为第二谐振器2的固有频率；ω₁表示第一谐振器1与第二谐振器2形成的耦合谐振器在频率低端的振荡点，ω₂表示第一谐振器1与第二谐振器2形成的耦合谐振器在频率高端的振荡点。可通过控制l_c,g_c来灵活的控制耦合系数的变化，仿真结果如图4所示。

所述第一谐振器1和第二谐振器2之间的耦合系数为k₁₂，第一带阻单元5的外部Q值Q_e满足以下条件：

$k_{12}=\frac{BW}{f_0\sqrt{g_1{g}_2}}$

$Q_e=\frac{f_0}{BW}$

其中BW为绝对带宽，f₀为滤波器的中心频率，g₁为第一谐振器1的低通原型综合参数，g₂为第二谐振器2的低通原型综合参数。

实施例

在本实施例中，带宽恒定的三阶电调带通滤波器可调频率范围：0.98-1.40GHz，绝对带宽为165±15MHz，制作在相对介电常数为2.2，损耗因子为0.0009的介质基板上。其中谐振器中的变容管均采用的Skyworks公司的的SMV1413，主传输线4中的变容管均采用的是Skyworks公司的的SMV1405。

第一谐振器1中微带线总长l₁＝14.8mm,宽度为0.8mm；第二谐振器2中微带线总长l₂＝8.7mm，宽度为1.0mm；第一谐振器1和第二谐振器2之间的耦合长度为l_c＝5mm,间距g_c＝0.2mm；组成带阻单元的为微带线长度为l_b1＝10.8mm,宽度为0.4mm,l_b2＝1.0mm,宽度为2.0mm；主传输线4长度l_p＝23.8mm，宽度为0.2mm，与第一谐振器1耦合部分长度为10.7mm，与第二谐振器2耦合部分长为7.8mm。图7给出了利用上述参数所设计的滤波器的测试结果，左边纵轴表示传输特性S₂₁，右边纵轴表示反射特性S₁₁,横轴为频率。可以看到，该滤波器的中心频率能从0.98GHZ连续可调到1.40GHz，绝对常绝对带宽165±15MHz，而且拥有良好的选择性。图8给出了仿真和实测结果的对比，从中可以看到二者匹配良好。

Claims (8)

1.带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：包含上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属，所述上层微带结构包括第一谐振器(1)、第二谐振器(2)、第三谐振器(3)、主传输线(4)、第一带阻单元(5)、第二带阻单元(6)，所述第一谐振器(1)、第三谐振器(3)结构相同且对称的设置在第二谐振器(2)的两侧，所述第一带阻单元(5)、第二带阻单元(6)结构相同且对称的设置在第二谐振器(2)的两侧；

所述第二谐振器(2)包括第二微带线A(201)、第二微带线B(202)、第二微带线C(203)、第二微带线D(204)、第二隔直电容(205)、第二变容二极管(206)，所述第二微带线A(201)与第二微带线D(204)平行设置，第二微带线B(202)、第二微带线C(203)设置在第二微带线A(201)与第二微带线D(204)之间，第二微带线B(202)连接在第二微带线A(201)的一端且与第二微带线A(201)垂直设置，第二微带线A(201)的另一端通过接地过孔与下层金属接地板相连，第二微带线C(203)连接在第二微带线D(204)的一端且与第二微带线D(204)垂直设置，第二微带线D(204)的另一端通过接地过孔与下层金属接地板相连，所述第二微带线B(202)依次通过第二隔直电容(205)、第二变容二极管(206)与第二微带线C(203)相连；

所述第一谐振器(1)包括第一微带线A(101)、第一微带线B(102)、第一微带线C(103)、第一隔直电容(104)、第一变容二极管(105)，第一微带线C(103)设置在第二微带线A(201)的外侧且与第二微带线A(201)平行设置形成平行耦合，所述第一微带线A(101)设置在第一微带线C(103)的外侧且与第一微带线C(103)平行设置，第一微带线B(102)的两端分别与第一微带线A(101)的一端、第一微带线C(103)的一端相连且第一微带线B(102)分别与第一微带线A(101)、第一微带线C(103)垂直设置，第一微带线C(103)的另一端依次通过第一隔直电容(104)、第一变容二极管(105)与接地端相连；

所述第三谐振器(3)包括第三微带线A(301)、第三微带线B(302)、第三微带线C(303)、第三隔直电容(304)、第三变容二极管(305)，第三微带线C(303)设置在第二微带线D(204)的外侧且与第二微带线D(204)平行设置形成平行耦合，所述第三微带线A(301)设置在第三微带线C(303)的外侧且与第三微带线C(303)平行设置，第三微带线B(302)的两端分别与第三微带线A(301)的一端、第三微带线C(303)的一端相连且第三微带线B(302)分别与第三微带线A(301)、第三微带线C(303)垂直设置，第三微带线C(303)的另一端依次通过第三隔直电容(304)、第三变容二极管(305)与接地端相连；

所述第一变容二极管(105)、第二变容二极管(206)、第三变容二极管(305)具有相同的偏置电压；

所述第一带阻单元(5)包括多段第一带阻微带线(501)，所述多段第一带阻微带线(501)依次首尾相连，所述第一带阻单元(5)的末端连接有第一片状微带线(502)，第一片状微带线(502)通过第一固定电容(503)与接地端相连；所述第二带阻单元(6)包括多段第二带阻微带线(601)，所述多段第二带阻微带线(601)依次首尾相连，所述第二带阻单元(6)的末端连接有第二片状微带线(602)，第二片状微带线(602)通过第二固定电容(603)与接地端相连；

所述主传输线(4)由第一传输线(41)和第二传输线(42)组成，所述第一传输线(41)与第二传输线(42)结构相同且沿第二谐振器(2)的中心线对称设置，所述第一传输线(41)包括依次首尾相连的第一传输微带线A(411)、第一传输微带线B(412)、第一传输微带线C(413)、第一传输微带线D(414)、第一传输微带线E(415)、第一传输微带线F(416)、第一匹配电容(417)、第一传输变容二极管A(418)、第一传输变容二极管B(419)，所述第一匹配电容(417)设置在第一传输微带线A(411)与第一传输微带线B(412)之间，所述第一传输微带线F(416)的末端依次通过第一传输变容二极管A(418)、第一传输变容二极管B(419)与接地端相连，所述第一传输变容二极管A(418)、第一传输变容二极管B(419)互为隔直电容，所述第一传输微带线C(413)与第一微带线A(101)平行设置形成平行耦合，第一传输微带线D(414)与第一微带线B(102)平行设置形成平行耦合，第一传输微带线E(415)与第二微带线A(201)平行设置形成平行耦合，第一传输微带线F(416)与第二微带线B(202)平行设置形成平行耦合；所述第二传输线(42)包括依次首尾相连的第二传输微带线A(421)、第二传输微带线B(422)、第二传输微带线C(423)、第二传输微带线D(424)、第二传输微带线E(425)、第二传输微带线F(426)、第二匹配电容(427)、第二传输变容二极管A(428)、第二传输变容二极管B(429)，所述第二匹配电容(427)设置在第二传输微带线A(421)与第二传输微带线B(422)之间，所述第二传输微带线F(426)的末端依次通过第二传输变容二极管A(428)、第二传输变容二极管B(429)与接地端相连，所述第二传输变容二极管A(428)、第二传输变容二极管B(429)互为隔直电容，所述第二传输微带线C(423)与第三微带线A(301)平行设置形成平行耦合，第二传输微带线D(424)与第三微带线B(302)平行设置形成平行耦合，第二传输微带线E(425)与第二微带线D(204)平行设置形成平行耦合，第二传输微带线F(426)与第二微带线C(203)平行设置形成平行耦合。

2.如权利要求1所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器(1)、第二谐振器(2)、第三谐振器(3)均为四分之一波长谐振器。

3.如权利要求2所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线A(101)与第一传输微带线C(413)形成的平行耦合、第一微带线B(102)与第一传输微带线D(414)形成的平行耦合、第一微带线C(103)与第二微带线A(201)形成的平行耦合满足以下公式：

$f_1=\frac{Y_1\cot \frac{2{\mathrm{\πf}}_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_1}{c}}{2{\mathrm{\πC}}_{T1}}$

其中f₁为第一谐振器(1)的谐振频率，C_T1为第一隔直电容(104)与第一变容二极管(105)的串联值，l₁为第一微带线A(101)、第一微带线B(102)、第一微带线C(103)的总长度值，Y₁为第一微带线A(101)、第一微带线B(102)、第一微带线C(103)的导纳值，c为真空中的光速，ε_r为介质基板的介电常数。

4.如权利要求3所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：第二微带线A(201)与第一传输微带线E(415)形成的平行耦合、第二微带线B(202)与第一传输微带线F(416)形成的平行耦合、第二微带线C(203)与第二传输微带线F(426)形成的平行耦合、第二微带线D(204)与第二传输微带线E(425)形成的平行耦合满足以下公式：

$f_2=\frac{Y_2\cot \frac{2{\mathrm{\πf}}_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_2}{c}}{4{\mathrm{\πC}}_{T2}}$

其中f₂为第二谐振器(2)的谐振频率，C_T2为第二隔直电容(205)与第二变容二极管(206)的串联值，l₂为第二微带线A(201)、第二微带线B(202)的总长度值，Y₂为第二微带线A(201)、第二微带线B(202)的导纳值，c为真空中的光速，ε_r为介质基板的介电常数。

5.如权利要求4所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：所述第一带阻单元(5)的多段第一带阻微带线(501)总电长度为θ_b1，长度为l_b1，导纳为Y_b1；第一片状微带线(502)的电长度为θ_b2，长度为l_b2，导纳为Y_b2；第一固定电容(503)的电容值C_b在10-40pF之间，并满足以下公式：

Y_b1-(2Y_b2tanθ_b2+2πf_zC_b)tanθ_b1＝0

其中f_z为低频处传输零点的频率。

6.如权利要求5所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：所述第一传输线(41)的第一传输微带线C(413)、第一传输微带线D(414)、第一传输微带线E(415)、第一传输微带线F(416)的总物理长度为l_p，电长度为θ_p，导纳为Y_p，第一传输变容二极管A(418)与第一传输变容二极管B(419)的总电容值为C_T3，且满足以下公式：

$Q_e=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2Y_p}\·\frac{\∂\mathrm{Im}\[Y_{in}\]}{\∂\mathrm{\ω}},Y_{in}=\frac{{\mathrm{j\ωC}}_p{Y}_{in1}}{{\mathrm{j\ωC}}_p+Y_{in1}},Y_{in1}={\mathrm{jY}}_p\frac{{\mathrm{\ωC}}_{T3}+Y_p{\mathrm{tan\θ}}_p}{Y_p-{\mathrm{\ωC}}_{T3}{\mathrm{tan\θ}}_p}$

其中Q_e为滤波器的外部Q值，C_p为第一匹配电容(417)的电容值，j为虚部符号，ω为角速度，ω₀为滤波器中心频率f₀处的角速度。

7.如权利要求6所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线C(103)与第二微带线A(201)形成的平行耦合的耦合长度为l_c，耦合间距为g_c，耦合系数k₁₂满足：

$k_{12}=\±\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{\ω}}_{02}}{{\mathrm{\ω}}_{01}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{02}})\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_1^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_1^2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{02}^2-{\mathrm{\ω}}_{01}^2}{{\mathrm{\ω}}_{02}^2+{\mathrm{\ω}}_{01}^2}\right)}^2}$

ω₀₁为第一谐振器(1)的固有频率，ω₀₂为第二谐振器(2)的固有频率；ω₁表示第一谐振器(1)与第二谐振器(2)形成的耦合谐振器在频率低端的振荡点，ω₂表示第一谐振器(1)与第二谐振器(2)形成的耦合谐振器在频率高端的振荡点。

8.如权利要求7所述的带宽恒定的三阶电调带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器(1)和第二谐振器(2)之间的耦合系数为k₁₂，第一带阻单元(5)的外部Q值Q_e满足以下条件：

$k_{12}=\frac{BW}{f_0\sqrt{g_1{g}_2}}$

$Q_e=\frac{f_0}{BW}$

其中BW为绝对带宽，f₀为滤波器的中心频率，g₁为第一谐振器(1)的低通原型综合参数，g₂为第二谐振器(2)的低通原型综合参数。