CN104409809B - 基于平行耦合线的可切换带通‑带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平行耦合线的可切换带通‑带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板上，所述双面覆铜微带板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一端口馈线、第二端口馈线、四个条带状微带构成的谐振器、三个射频开关，其中谐振器和端口馈线互相之间构成耦合间隙。本发明通过控制射频开关的供电电压实现控制开关的状态，进而控制带通与带阻滤波器之间的状态切换，并且带通‑带阻滤波器的中心频率一致。本发明具有可在带通滤波器与带阻滤波器进行切换、中心频率一致、结构简单、尺寸小的优点。

Description

基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器

技术领域

本发明涉及平面微带滤波器的技术领域，特别涉及一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器。

背景技术

近年来，无线通信的高速发展、3G技术的普及、4G的到来，都标志着无线技术将迎来一个蓬勃发展的高峰期。同时随着无线电子产品在人民生活中的普及，小型化、成本低已经成为了电子产品的趋势。另一方面，随着电子信息的迅猛发展，日趋紧张的频谱资源更加匮乏，为提高通信容量及降低相邻信道间信号串扰，对滤波器的选择性及集成化等提出了更高的要求。而微带滤波器则满足了这一些要求。

而带阻滤波器作为微波滤波器的一种,在微波系统中所起得作用也越来越重要。通常在许多通信系统中,要求对不需要的干扰、杂散等噪声有较高的衰减从而使得信号以尽可能小的衰减在系统中传输。例如,当噪声在某一频率点或者某几个频率点处干扰特别强时,需要采用一定的措施进行抑制。此时,采用带阻滤波器就比带通滤波器的宽阻带要有效灵活的多。因此,研究新方法来设计小体积、高性能的带阻滤波器具有十分重要的意义。

微带带通滤波器是一种目前被研究最多,使用也最为广泛的微带滤波器,它的种类繁多,性能各异,是现代通信系统中最为重要的元件之一。它的作用是让一段频率范围内的信号自由通过,将这个频段以外的信号得到最大程度的衰减而无法通过。微带滤波器的设计理论基础是分布参数,具有价钱低、体积小、重量轻、便于集成等优点,因此在现代通信系统中起着非常重要的作用。

资料显示在2014年3月，Young-Ho Cho和Gabriel M.Rebeiz在本技术领域顶级期刊"IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES"上发表题为"Two-andFour-Pole Tunable 0.7-1.1-GHz Bandpass-to-Bandstop Filters With BandwidthControl"的文章，该文章公开了一种使用射频开关的的滤波器，该射频开关拥有控制带通滤波器与带阻滤波器的切换，但是该滤波器在开关打开闭合前后中心频率不一致，需要通过变容二极管调节，使得滤波器闭合前后达到同一中心频率。

同时，资料还显示在2014年3月，Young-Ho Cho和Gabriel M.Rebeiz的文章"0.7-1.0-GHz Reconfigurable Bandpass-to-Bandstop Filter With Selectable 2-and 4-Pole Responses"已被本技术领域顶级期刊"IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES"录用并准备发表，该文章公开了一种滤波器设计，该滤波器也能通过射频开关实现带通滤波器和带阻滤波器的切换，但是该滤波器存在结构复杂的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器。本发明涉及高频器件，尤其是微波滤波器，提出一种带通滤波器与带阻滤波器相互灵活切换的设计方案，其中，带通滤波器采用基于平行耦合线谐振器结构，该结构使得滤波器尺寸小并且可通过射频开关控制带通滤波器与带阻滤波器之间的切换，并使两者中心频率一致，具有设计灵活，体积小，成本低，特性好的特点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板1上，

所述双面覆铜微带板1的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一端口馈线7、第二端口馈线2、第一微带谐振器3、第二微带谐振器4、第三微带谐振器5、第四微带谐振器6、第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3，该双面覆铜微带板1的另一面为覆铜接地板；

所述输入端馈线头port1与第一端口馈线7的第一侧直线连接，输出端馈线头port2与第二端口馈线2的第二侧直线连接，它们在双面覆铜微带板1上成对角设置，并且所述第一微带谐振器、第二微带谐振器、第三微带谐振器、第四微带谐振器设置在它们之间；

所述第一微带谐振器、第二微带谐振器、第三微带谐振器、第四微带谐振器均由条带状微带构成，所述第一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧连接，所述第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧连接，

所述第一射频开关SW1的第一侧与第一端口馈线的第二侧连接，第一射频开关SW1的第二侧同时与第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧连接；

所述第二射频开关SW2的第一侧与第三微带谐振器的第二侧连接，第二射频开关SW2的第二侧同时与一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧连接；

所述第三射频开关SW3的第一侧与第一微带谐振器的第二侧连接，第三射频开关SW3的第二侧与第二端口馈线的第二侧连接。

进一步的，所述第一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧的连接方式为直线连接，所述第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧的连接方式为直线连接。

进一步的，所述第一端口馈线、第二端口馈线、第一微带谐振器、第三微带谐振器之间相互平行。

进一步的，所述第二端口馈线与第一微带谐振器以及第二微带谐振器相邻，它们之间构成第一耦合间隙8；

所述第一微带谐振器以及第二微带谐振器与第三微带谐振器以及第四微带谐振器相邻，它们之间构成第二耦合间隙9；

所述第一端口馈线与第三微带谐振器以及第四微带谐振器相邻，第一端口馈线与第三微带谐振器以及第四微带谐振器之间构成第三耦合间隙10。

进一步的，所述的输入端口馈线头port1、输出端口馈线头port2的端口均为50欧姆的匹配阻抗。

进一步的，所述输入端口馈线头port1的长度和宽度分别为L₇＝3.2mm和W₅＝2mm，所述的输出端口馈线头port2的长度和宽度分别为L₁＝3.2mm和W1＝2mm。

进一步的，所述第一耦合间隙、第二耦合间隙、第三耦合间隙的距离分别为S₁＝0.2mm，S₂＝0.7mm，S₃＝0.2mm。

进一步的，所述第一端口馈线的长度和宽度分别为L₈＝20.1mm和W₆＝1mm，所述第二端口馈线的长度和宽度分别为L₂＝21.3mm和W₂＝1mm。

进一步的，所述第一微带谐振器和第二微带谐振器的长度分别为L₄＝17.8mm、L₃＝19.5mm，宽度均为W₃＝0.9mm；

所述第三微带谐振器和第四微带谐振器的长度分别为L₆＝16mm、L₅＝22mm，宽度均为W₄＝0.9mm。

进一步的，所述第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3的开关状态均通过控制射频开关的供电电压实现控制。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明在谐振器使用射频开关，可以灵活控制滤波器在带通滤波器和带阻滤波器之间进行切换。

2、本发明公开的滤波器设计方案中带通滤波器和带阻滤波器的中心频率一致。

3、由于滤波器为微带结构，体积小、重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以滤波器具备结构简单、生产成本低的优点。

附图说明

图1是本发明中一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器的结构示意图；

图2是本发明中第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3打开时滤波器切换为带通滤波器的等效电路图；

图3是本发明中第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3闭合时滤波器切换为带阻滤波器的等效电路图；

图4是本发明中一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器的尺寸图；

图5是射频开关SW1、SW2和SW3的ADS模型；

图6是本发明中射频开关打开时切换为带通滤波器的散射参数仿真结果图；

图7是本发明中射频开关闭合时切换为带阻滤波器的散射参数仿真结果图；

图中，附图标记为：1-双面覆铜微带板，2-第二端口馈线，3-第一微带谐振器，4-第二微带谐振器，5-第三微带谐振器，6-第四微带谐振器，7-第一端口馈线，8-第一耦合间隙，9-第二耦合间隙,10-第三耦合间隙。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例提出的基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器的结构示意图和尺寸图分别如图1和图4所示，该基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器整体制作在双面覆铜的介质基板上，使用机械刻制、激光刻制、电路板腐蚀等技术均可容易地制作。

双面覆铜微带板1的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一端口馈线7、第二端口馈线2、第一微带谐振器3、第二微带谐振器4、第三微带谐振器5、第四微带谐振器6、第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3，V_SW1、V_SW2、V_SW3分别是射频开关SW1、SW2、SW2的供电电压，该双面覆铜微带板1的另一面为覆铜接地板。输入端口馈线头port1、输出端口馈线头port2的端口均为50欧姆的匹配阻抗。

当第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3打开时，滤波器切换为带通滤波器，其等效电路图如图2所示，图中，第一微带谐振器3、第二微带谐振器4、第三微带谐振器5、第四微带谐振器6为基于平行耦合线的谐振器。

当第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3闭合时，滤波器切换为带阻滤波器，此时第二端口馈线2是带阻滤波器的开路枝节，同时第二微带谐振器4和第四微带谐振器6也是带阻滤波器的枝节，第一微带谐振器3和第三微带谐振器5是带阻滤波器的主谐振器，其具体的带阻滤波器等效电路图如图3所示。

如图1中的基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器的结构示意图，还可看出，输入端馈线头port1与第一端口馈线7的第一侧直线连接，输出端馈线头port2与第二端口馈线2的第二侧直线连接，它们在双面覆铜微带板1上成对角设置，并且所述第一微带谐振器、第二微带谐振器、第三微带谐振器、第四微带谐振器设置在它们之间。

在本实施例中，第一微带谐振器、第二微带谐振器、第三微带谐振器、第四微带谐振器均由条带状微带构成，所述第一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧直线连接，所述第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧直线连接。

如图1所示，第一端口馈线、第二端口馈线、第一微带谐振器和第二微带谐振器、第三微带谐振器和和第四微带谐振器之间是相互平行的关系，平行设置在双面覆铜微带板1的同一面上。

其中，第二端口馈线与第一微带谐振器以及第二微带谐振器相邻，它们之间构成第一耦合间隙8；

其中，第一微带谐振器以及第二微带谐振器与第三微带谐振器以及第四微带谐振器相邻，它们之间构成第二耦合间隙9；

其中，第一端口馈线与第三微带谐振器以及第四微带谐振器相邻，第一端口馈线与第三微带谐振器以及第四微带谐振器之间构成第三耦合间隙10。

下面根据图1基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器的结构示意图中所示，具体说明射频开关SW1、SW2、SW3的位置关系。

其中，第一射频开关SW1的第一侧与第一端口馈线的第二侧连接，第一射频开关SW1的第二侧同时与第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧连接；

其中，第二射频开关SW2的第一侧与第三微带谐振器的第二侧连接，第二射频开关SW2的第二侧同时与一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧连接；

其中，第三射频开关SW3的第一侧与第一微带谐振器的第二侧连接，第三射频开关SW3的第二侧与第二端口馈线的第二侧连接。

射频开关SW1、SW2、SW3的开关状态均通过控制射频开关的供电电压实现控制。

本实施例中基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器的外部品质因素可以通过改变端口馈线的长度、馈线和谐振器间的耦合间隙的距离进行相应调节。

使用仿真软件Advanced Design System对滤波器进行仿真，本实施例设计的滤波器使用的微带基板的相对介电常数为2.55，介质高度为0.8，滤波器的主要结构参数为：L₁＝3.2mm，L₂＝21.3mm，L₃＝19.5mm，L₄＝17.8mm，L₅＝22mm，L₆＝16mm，L₇＝3.2mm，L₈＝20.1mm，W₁＝2mm,W₂＝1mm，W₃＝0.9mm，W₄＝0.9mm，W₅＝2mm,W₆＝1mm，S₁＝0.2mm，S₂＝0.7mm，S₃＝0.2mm。

图5是使用的射频开关SW1、SW2和SW3的ADS模型，第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第二射频开关SW3的开关状态均通过控制射频开关的供电电压实现控制，其中R_on＝2.53Ω，L_on＝1.09nH,C_p＝0.22pF,C_off＝45fF。V_SW1、V_SW2和V_SW3是SW1、SW2和SW3的供电电压，当V_SW1、V_SW2和V_SW3<1.5v时开关为打开状态，切换为带通滤波器；当V_SW1、V_SW2和V_SW3>3.5v时，开关处于闭合状态，切换为带阻滤波器。

图6显示了当V_SW1、V_SW2和V_SW3<1.5v时，即开关打开时滤波器的散射参数仿真结果，此时的滤波器为带通滤波器，其中心频率为2.5GHz。横轴表示本发明中微带滤波器的信号频率，纵轴表示滤波器的回波损耗(S₁₁)，回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系,其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率＝＝20*log|S₁₁|。图6还显示了滤波器的插入损耗(S₁₂)仿真结果，插入损耗表示一个信号的输入功率与另一个端口信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20*log|S₁₂|。

图7显示了当V_SW1、V_SW2和V_SW3>3.5v时，即开关闭合时滤波器的散射参数仿真结果，此时的滤波器为带阻滤波器，从图中可知，其中心频率与带通滤波器一致。

本发明的实施例中公开的滤波器使用了射频开关(RF MEMS switch)，可以方便地使滤波器在带通滤波器与带阻滤波器之间进行切换，并通过设计使带通滤波器和带阻滤波器的中心频率位于同一频率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板(1)上，其特征在于：

所述双面覆铜微带板(1)的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一端口馈线(7)、第二端口馈线(2)、第一微带谐振器(3)、第二微带谐振器(4)、第三微带谐振器(5)、第四微带谐振器(6)、第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3，该双面覆铜微带板(1)的另一面为覆铜接地板；

所述输入端馈线头port1与第一端口馈线(7)的第一侧直线连接，输出端馈线头port2与第二端口馈线(2)的第二侧直线连接，它们在双面覆铜微带板(1)上成对角设置，并且所述第一微带谐振器、第二微带谐振器、第三微带谐振器、第四微带谐振器设置在它们之间；

所述第一微带谐振器、第二微带谐振器、第三微带谐振器、第四微带谐振器均由条带状微带构成，所述第一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧连接，所述第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧连接，

所述第一射频开关SW1的第一侧与第一端口馈线的第二侧连接，第一射频开关SW1的第二侧同时与第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧连接；

所述第二射频开关SW2的第一侧与第三微带谐振器的第二侧连接，第二射频开关SW2的第二侧同时与第一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧连接；

所述第三射频开关SW3的第一侧与第一微带谐振器的第二侧连接，第三射频开关SW3的第二侧与第二端口馈线的第二侧连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第一微带谐振器的第一侧和第二微带谐振器的第二侧的连接方式为直线连接，所述第三微带谐振器的第一侧和第四微带谐振器的第二侧的连接方式为直线连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第一端口馈线、第二端口馈线、第一微带谐振器、第三微带谐振器之间相互平行。

4.根据权利要求3所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第二端口馈线与第一微带谐振器以及第二微带谐振器相邻，它们之间构成第一耦合间隙(8)；

所述第一微带谐振器以及第二微带谐振器与第三微带谐振器以及第四微带谐振器相邻，它们之间构成第二耦合间隙(9)；

所述第一端口馈线与第三微带谐振器以及第四微带谐振器相邻，第一端口馈线与第三微带谐振器以及第四微带谐振器之间构成第三耦合间隙(10)。

5.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：所述的输入端口馈线头port1、输出端口馈线头port2的端口均为50欧姆的匹配阻抗。

6.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述输入端口馈线头port1的长度和宽度分别为L₇＝3.2mm和W₅＝2mm，所述的输出端口馈线头port2的长度和宽度分别为L₁＝3.2mm和W₁＝2mm。

7.根据权利要求4所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第一耦合间隙、第二耦合间隙、第三耦合间隙的距离分别为S₁＝0.2mm，S₂＝0.7mm，S₃＝0.2mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第一端口馈线的长度和宽度分别为L₈＝20.1mm和W₆＝1mm，所述第二端口馈线的长度和宽度分别为L₂＝21.3mm和W₂＝1mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第一微带谐振器和第二微带谐振器的长度分别为L₄＝17.8mm、L₃＝19.5mm，宽度均为W₃＝0.9mm；

所述第三微带谐振器和第四微带谐振器的长度分别为L₆＝16mm、L₅＝22mm，宽度均为W₄＝0.9mm。

10.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合线的可切换带通-带阻滤波器，其特征在于：

所述第一射频开关SW1、第二射频开关SW2和第三射频开关SW3的开关状态均通过控制射频开关的供电电压实现控制。