CN104377411B - 变容管加载的可重构带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

变容管加载的可重构带阻滤波器，涉及微波滤波器。设有介质基板，在介质基板上表面设有平面微带电路，下表面设有接地金属层；在平面微带电路上一侧两端分别设有左、右主传输微带，在左、右主传输微带之间设有中主传输微带；在左与中主传输微带之间串联左隔直电容，在右与中主传输微带之间串联右隔直电容，在左、右主传输微带的端部设有左、右馈电接头；在中主传输微带两端设有左、右支节谐振器，左支节谐振器一端与中主传输微带左端之间加载左变容二极管，右支节谐振器一端与中主传输微带右端之间加载右变容二极管，左支节谐振器另一端串接左电感，右支节谐振器另一端串接右电感，左、右电感外接左、右反向偏置电压；中主传输微带串接中电感。

Description

变容管加载的可重构带阻滤波器

技术领域

本发明涉及微波滤波器，尤其是涉及一种变容管加载的可重构带阻滤波器。

背景技术

滤波器是现代无线通信系统中的关键器件之一，可在前端装置及收发模块中实现信道选择、镜像消除、寄生滤波等重要的功能。随着电子技术的迅速发展，现代无线通信系统呈现出多频段、宽频带、多功能、小型化、轻量化的发展趋势，这就要求系统中的滤波模块必须具备高性能、小尺寸、灵活多样的选频功能。可重构带阻滤波器作为一种性能灵活的新型滤波器，不仅能够隔离较大干扰信号，还能根据实际需求实时重构选频特性，因而受到广泛关注，已成为当今滤波技术领域的研究热点。通常，较为理想的可重构带阻滤波器具有以下特性：低插入损耗、高阻带衰减、高调谐速度、高可靠性以及具有紧凑的结构尺寸等。

目前，常用于实现可重构带阻滤波器的方式主要有以下几种：应用磁性材料、铁电体部件，加载PIN二极管、变容二极管，以及使用微机电系统(MEMS)技术等。例如HualiangZhang等人发表在IEEE microwave and wireless components letters上的《BandpassFilters with Reconfigurable Transmission Zeros Using Varactor-Tuned TappedStubs》文章中提出使用变容二极管实现了带通滤波器的可重构；Hyung Suk Lee等人发表在IEEE microwave and wireless components letters上的《MEMS-based tunable LCbandstop filter with an ultrawide continuous tuning range》文章中则提出使用微机电系统技术实现带阻滤波器的可重构。其中，对使用PIN二极管或MEMS开关器件的可重构滤波器而言，由于其滤波响应的重构方式是通过开关状态切换来实现的，因此这类滤波器的选频特性很难实现连续调节。而对于变容二极管加载的可重构带阻滤波器而言，由于电调谐器件变容二极管的电容量可以随着外加偏压改变而连续可调，因此能够实现选频特性的连续调节；并且由于变容管不存在磁滞效应，其调谐速度也较应用磁性材料的可重构滤波器快；此外，这类滤波器还具有加工制作简单、易于实现小型化等优点。然而，多数现有的变容管加载的带阻滤波器的重构特性较为单一，即仅能实现重构滤波器的中心频率或者仅能够重构滤波器的工作带宽；同时由于变容二极管的Q值相对较低，这类滤波器还存在插入损耗相对较大、阻带衰减量较小的问题。因此，探究实现高阻带衰减、低插入损耗、中心频率与工作带宽独立调谐的特性是当前变容管加载的可重构带阻滤波器研究的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种变容管加载的、中心频率和工作带宽可独立调谐，能够实现中心频率在较大范围内调节，并保持阻带衰减大于30dB(最大可达45dB)的变容管加载的可重构带阻滤波器。

本发明设有介质基板，在介质基板上表面设有平面微带电路，在介质基板下表面设有接地金属层；在平面微带电路上一侧两端分别设有左主传输微带和右主传输微带，在左主传输微带与右主传输微带之间设有中主传输微带；在左主传输微带与中主传输微带之间串联左隔直电容，在左主传输微带的端部设有左馈电接头；在右主传输微带与中主传输微带之间串联右隔直电容，在右主传输微带的端部设有右馈电接头；在中主传输微带左右两端分别设有左支节谐振器和右支节谐振器，左支节谐振器一端与中主传输微带左端之间加载左变容二极管，右支节谐振器一端与中主传输微带右端之间加载右变容二极管，左支节谐振器另一端串接左电感，左电感外接左反向偏置电压，右支节谐振器另一端串接右电感，右电感外接右反向偏置电压；在中主传输微带中部连接中电感。

所述介质基板可采用FR4介质基板，介电常数可为4.4；介质基板的尺寸可为36.8mm×33mm×0.8mm。

左主传输微带、右主传输微带、中主传输微带和接地金属层均可采用铜箔，左主传输微带、右主传输微带、中主传输微带和接地金属层的厚度均为35μm。

左变容二极管、右变容二极管可选用Infineon公司的BB857型变容二极管。

左电感、右电感和中电感均可选用100nH的电感。

左隔直电容、右隔直电容均可选用47pf的电容。

所述左支节谐振器和右支节谐振器均可为1/4波长。

本发明的有益效果是：

本发明采用在蚀刻在介质板上的微带结构实现，并在微带线两个端口上焊接上50Ω同轴接头进行馈电。本发明在不改变谐振器的结构尺寸以及二者之间耦合距离的条件下，仅通过改变两个1/4波长支节谐振器和谐振器上的变容管两端的偏置电压，就可以重构所述滤波器中心频率和带宽。当增大变容管上的反向偏置电压，所述滤波器的中心频率向高频移动；减小变容管的反向偏置电压，所述滤波器工作的中心频率向低频移动。当同步改变变容管的反向偏置电压，并使两变容管的反向偏置电压相等时，所述滤波器能够实现中心频率可调，并且保持带宽基本不变；当不同步改变两个变容管的反向偏置电压，可以改变所述滤波器的工作带宽。当两个变容管均施加反向偏置电压，可以实现滤波器的中心频率在较大范围内调节并保持阻带衰减大于30dB；当两个变容管均正向导通时(偏置电压>0.7V)，所述滤波器的阻带衰减可达45dB。此外，本发明结构简单、易于实现，可在无线通信系统的可重构前端装置、收发模块中应用。

附图说明

图1是本发明实施例的三维结构示意图。

图2是本发明实施例的结构俯视图。

图3是本发明实施例的结构侧视图。

图4是本发明实施例的频率调节特性曲线图。

图5是本发明实施例的带宽调节特性曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例进一步对本发明进行详细说明。

参见图1～3，本发明实施例设有介质基板2，在介质基板2上表面设有平面微带电路1，在介质基板2下表面设有接地金属层3；在平面微带电路1上一侧两端分别设有左主传输微带101和右主传输微带102，在左主传输微带101与右主传输微带102之间设有中主传输微带103；在左主传输微带101与中主传输微带103之间串联左隔直电容C₁₀₁，在左主传输微带101的端部设有左馈电接头；在右主传输微带102与中主传输微带103之间串联右隔直电容C₁₀₂，在右主传输微带102的端部设有右馈电接头；在中主传输微带103左右两端分别设有左支节谐振器11和右支节谐振器12，左支节谐振器11一端与中主传输微带103左端之间加载左变容二极管C₁₁，右支节谐振器12一端与中主传输微带103右端之间加载右变容二极管C₁₂，左支节谐振器11另一端串接左电感L₁₁，左电感L₁₁外接左反向偏置电压V_dc1，右支节谐振器12另一端串接右电感L₁₂，右电感L₁₂外接右反向偏置电压V_dc2；在中主传输微带103中部连接中电感L₁₀。

所述介质基板可采用FR4介质基板，介电常数可为4.4；介质基板的尺寸可为36.8mm×33mm×0.8mm。

左主传输微带101、右主传输微带102、中主传输微带103和接地金属层3均可采用铜箔，左主传输微带101、右主传输微带102、中主传输微带103和接地金属层3的厚度均为35μm。

左变容二极管C₁₁、右变容二极管C₁₂可选用Infineon公司的BB857型变容二极管。

左电感L₁₁、右电感L₁₂和中电感L₁₀可均选用100nH的电感。

左隔直电容C₁₀₁、右隔直电容C₁₀₂可均选用47pf的电容。

所述左支节谐振器11和右支节谐振器12可均为1/4波长。

在实验测试中，通过改变直流偏置电压V_dc1、V_dc2的值来实现变容管的容值的分别调节，从而实现重构滤波器中心频率和带宽。实验研究表明，当增大变容管C₁₁、C₁₂上的反向偏置电压V_dc1、V_dc2时，所述滤波器的中心频率向高频移动；减小变容管C₁₁、C₁₂上的反向偏置电压V_dc1、V_dc2时，所述滤波器工作的中心频率向低频移动；当同步改变变容管C₁₁、C₁₂的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，并使V_dc1＝V_dc2时，所述滤波器能够实现中心频率可调，并且保持带宽基本不变，如图4所示，当V_dc1＝V_dc2＝0.8V时，变容管C₁₁、C₁₂均正向导通时，本实施例的阻带中心频率为2GHz，阻带衰减为45dB，当V_dc1＝V_dc2由0V到-12V变化时，变容管处于反向偏置，可以实现阻带中心频率从2.2GHz调节到3.0GHz，并保持阻带带宽基本不变、阻带衰减大于30dB；当不同步改变变容管C₁₁、C₁₂的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，如图5所示，不同反偏电压V_dc1、V_dc2组合，可以实现阻带带宽改变。由此可见，本发明能够实现中心频率和工作带宽独立调谐，结构简单、易于调节，具有广阔的应用前景。

本发明由支节型微带带阻滤波器加载变容二极管构成，主要包括平面微带电路1、中间层介质基板2、接地金属层3三部分；所述平面微带电路1主要由主传输微带10、两个加载变容二极管的支节谐振器以及隔离电路组成；所述支节谐振器11和12均为1/4波长，所述变容二极管C₁₁、C₁₂分别串联焊接在这两个谐振器的对应位置上；所述隔离电路包括两部分，其一是将电感L₁₁、L₁₂分别串联在谐振器11、12上，电感L₁₀与微带线102中部连接，构成直流馈电网络(同时起到隔离交流信号的作用)，其二是将电容C₁₀₁、C₁₀₂分别串联在主微带线10靠近端口1、2位置构成的隔直电路。

根据本发明的一个实施例的三维视图如图1所示，其上层为平面微带电路结构1，中间层为介质基板2、下层为接地金属层3三部分，俯视图和侧视图分别见图2和图3。在本实施例中，在微带线两端端口1和端口2处焊接上两个50Ω同轴接头作为馈电；介质基板为FR4，介电常数为4.4；整个介质基板的尺寸为36.8mm×33mm×0.8mm；上层金属条带和下层金属接地层均为铜箔，厚度均为35μm；变容二极管C₁₁、C₁₂选用Infineon公司的BB857，分别串联焊接在这两个谐振器的对应位置上；L₁₁、L₁₂均选用100nH的电感分别串联在谐振器11、12上，电感L₁₀选用100nH的电感与微带线102中部连接，构成直流馈电网络(同时起到隔离交流信号的作用)，C₁₀₁、C₁₀₂均选用47pf的电容分别串联在主微带线10靠近端口1、2位置构成隔直电路，分别焊接在图2所示对应位置。在实验测试中，通过改变直流偏置电压V_dc1、V_dc2的值来实现变容管的容值的分别调节，从而实现重构滤波器中心频率和带宽。实验研究表明，当增大变容管C₁₁、C₁₂上的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，所述滤波器的中心频率向高频移动；减小变容管C₁₁、C₁₂上的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，所述滤波器工作的中心频率向低频移动；当同步改变变容管C₁₁、C₁₂的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，并使V_dc1＝V_dc2，所述滤波器能够实现中心频率可调，并且保持带宽基本不变，如图4所示，当V_dc1＝V_dc2＝0.8V时，变容管C₁₁、C₁₂均正向导通时，本实施例的阻带中心频率为2GHz，阻带衰减为45dB，当V_dc1＝V_dc2由0～-12V变化时，变容管处于反向偏置，可以实现阻带中心频率从2.2GHz调节到3.0GHz，并保持阻带带宽基本不变、阻带衰减大于30dB；当不同步改变变容管C₁₁、C₁₂的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，如图5所示，不同反偏电压V_dc1、V_dc2组合，可以实现阻带带宽改变。由此可见，本发明能够实现中心频率和工作带宽独立调谐，结构简单、易于调节，具有广阔的应用前景。

在不改变谐振器的结构尺寸以及二者之间耦合距离的条件下，仅通过改变两个1/4波长支节谐振器上的两个变容管两端的偏置电压，就可以重构所述滤波器中心频率和带宽。

当增大两个变容管C₁₁、C₁₂上的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，所述滤波器的中心频率向高频移动；减小变容管C₁₁、C₁₂上的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，所述滤波器工作的中心频率向低频移动。

当同步改变变容管C₁₁、C₁₂的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，并使V_dc1＝V_dc2，所述滤波器能够实现中心频率可调，并且保持带宽基本不变；当不同步改变变容管C₁₁、C₁₂的反向偏置电压V_dc1、V_dc2，可以改变所述滤波器的工作带宽。

当两个变容管C₁₁、C₁₂均施加反向偏置电压，可以实现滤波器的中心频率在较大范围内调节并保持阻带衰减大于30dB；当变容管C₁₁、C₁₂均正向导通时(偏置电压V_dc1,V_dc2>0.7V)，所述滤波器的阻带衰减可达45dB。

本说明书实施例所述内容为本发明的原理及实现形式的一个示例而非限定，供本领域技术人员更好地利用本发明参考，本发明涉及权利要求书及其等同技术方法，对实施例进行多种细节、尺寸或结构的更改、变化、修改和等效变形等均不脱离本发明主旨和范围。

Claims (9)

1.变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于设有介质基板，在介质基板上表面设有平面微带电路，在介质基板下表面设有接地金属层；在平面微带电路上一侧两端分别设有左主传输微带和右主传输微带，在左主传输微带与右主传输微带之间设有中主传输微带；在左主传输微带与中主传输微带之间串联左隔直电容，在左主传输微带的端部设有左馈电接头；在右主传输微带与中主传输微带之间串联右隔直电容，在右主传输微带的端部设有右馈电接头；在中主传输微带左右两端分别设有左支节谐振器和右支节谐振器，左支节谐振器一端与中主传输微带左端之间加载左变容二极管，右支节谐振器一端与中主传输微带右端之间加载右变容二极管，左支节谐振器另一端串接左电感，左电感外接左反向偏置电压，右支节谐振器另一端串接右电感，右电感外接右反向偏置电压；在中主传输微带中部连接中电感。

2.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于所述介质基板采用FR4介质基板，介电常数为4.4。

3.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于所述介质基板的尺寸为36.8mm×33mm×0.8mm。

4.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于所述左主传输微带、右主传输微带、中主传输微带和接地金属层均采用铜箔。

5.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于所述左主传输微带、右主传输微带、中主传输微带和接地金属层的厚度均为35μm。

6.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于所述左变容二极管、右变容二极管选用Infineon公司的BB857型变容二极管。

7.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于左电感、右电感和中电感均选用100nH电感。

8.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于左隔直电容、右隔直电容均选用47pf电容。

9.如权利要求1所述变容管加载的可重构带阻滤波器，其特征在于所述左支节谐振器和右支节谐振器均为1/4波长。