CN104518266B - 一种可重构双频段带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构双频段带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属贴片以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和接地金属贴片，使微带线结构与接地金属贴片之间通过介质基板连接，所述微带线结构包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器在折叠后耦合形成一组谐振器，所述第三谐振器和第四谐振器在折叠后耦合形成另一组谐振器，两组谐振器使微带线结构整体形成“田”字结构；每个谐振器的一端都加载有一个变容二极管。本发明提升了系统的集成度和电磁兼容性，两个通带独立可重构且绝对带宽维持基本恒定，可以更好地满足现有双频无线通信系统的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种带通滤波器，尤其是一种可重构双频段带通滤波器，属于无线通讯领域。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，可重构滤波器越来越受到研究人员的关注。不仅仅由于其能够减少系统的体积和成本，而且归功于其良好的电磁兼容性，可以满足不同的系统需求。一方面，常数绝对带宽的可重构滤波器在实际应用中扮演着重要角色。另一方面，为了最大效率地利用有限的频谱资源，越来越多的无线系统都工作在双频段。常数绝对带宽的可重构双频带通滤波器具有双通带独立可重构、频率调谐时带宽维持相对恒定的特点，与单频带阻滤波器相比，通信系统的频谱利用率大为提高，系统的功耗、尺寸也大为降低。
据调查与了解，绝对带宽恒定的可重构带通滤波器当前已经得到了广泛的研究，也提出了一些不同的设计方法，如下：
1)2010年Mohammed A.E1-Tanani和Gabriel M.Rebeiz在IEEE Transaction onMTT上发表了“Corrugated Microstrip Coupled Lines for Constant AbsoluteBandwidth Tunable Filters”，介绍了一种波纹耦合线加载变容二极管的电调滤波器，可调范围在1.32-1.89GHz之间，插入损耗小于3dB，且1dB绝对带宽是70±4MHz。文章详细讨论了波纹耦合线在控制带宽中所起到的重要作用，为电调滤波器的带宽控制提供了另外一种有效的方法。
2)2008年Juseop Lee和Kamal Sarabandi在IEEE Transaction on MTT上发表了“An Analytic Design Method for Microstrip Tunable Filters”，文章提出一种频率响应特性不变的电调滤波器设计方法。通过使用固定电容设计J变换器电路，并在SIR谐振器之间加载变容二极管，成功设计出二阶以及多阶的绝对带宽恒定频率可调的滤波器。设计出的二阶滤波器2.1GHz到2.7GHz之间连续可调，3dB带宽恒定为90MHz。
3)2010年，国内学者章秀银等人在IEEE Transaction on MTT上发表的“Low-lossfrequency-agile bandpass filters with controllable bandwidth and suppressedsecond harmonic”文章中，使用了混合耦合的平行耦合线谐振器来设计常数绝对带宽可重构滤波器。通过选择合适的耦合区域，可以满足绝对带宽恒定的理论条件，并且电容滤波网络，抑制了高频谐波，其通带性能良好，谐波得到了较好的抑制。
4)2013年Xiaoguo Huang等人在在IEEE Transaction on MTT上发表了“TunableBandpass Filter With Independently Controllable Dual Passbands”。文章利用奇偶模分析理论，通过在二分之一波长谐振器中点加载一个变容二极管，在谐振器两端对称加载两个变容二极管，成功实现了对双通带的独立控制，其第一通带中心频率在0.77GHz到1.00GHz连续可调，第二通带中心频率在1.57GHz到2.00GHz连续可调，且3dB绝对带宽为120±8MHz。
上述已发表的现有技术多涉及可重构单频带通滤波器，适用于双频通信系统的可重构双频带通滤波器相对较少，所提方法和结构以及所实现的性能有限。而实际应用中对可重构滤波器的要求更多的是常数绝对带宽的可重构滤波器，即频率调谐时绝对带宽保持相对恒定。目前已发表的现有技术基本没有实现两个频段绝对带宽都恒定的可重构滤波器。此外，现行微带技术在和有源器件相结合时不可避免地要引入接地过孔，为尽可能得降低加工难度，需要将结构中的短路点尽可能地结合在一起。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种结构简单、电磁兼容性好，能够满足实际应用中双频无线通信系统的需求的可重构双频段带通滤波器。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种可重构双频段带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属贴片以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和接地金属贴片，使微带线结构与接地金属贴片之间通过介质基板连接，所述微带线结构包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器在弯曲折叠后耦合形成一组谐振器，所述第三谐振器和第四谐振器在弯曲折叠后耦合形成另一组谐振器，两组谐振器使微带线结构整体形成“田”字结构；每个谐振器的一端都加载有一个变容二极管。
作为一种优选方案，所述第一谐振器与第二谐振器之间采用短路端耦合，所述第三谐振器和第四谐振器之间采用开路端耦合。
作为一种优选方案，所述第一谐振器与第三谐振器之间设有第一端口馈电线，所述第二谐振器和第四谐振器之间设有第二端口馈电线，所述第一端口馈电线的左端作为输入端口，所述第二端口馈电线的右端作为输出端口，所述第一谐振器、第三谐振器和第一端口馈电线分别与第二谐振器、第四谐振器和第二端口馈电线左右对称。
作为一种优选方案，所述第一端口馈电线与第一谐振器之间的间距、第一端口馈电线与第三谐振器之间的间距、第二端口馈电线与第二谐振器之间的间距以及第二端口馈电线与第四谐振器之间的间距都是相同的。
作为一种优选方案，所述第一谐振器和第二谐振器均连接第一直流电压源，所述第三谐振器和第四谐振器均连接第二直流电压源，所述第一直流电压源用于为第一谐振器和第二谐振器所加载的变容二极管提供反向偏置电压，所述第二直流电压源用于为第三谐振器和第四谐振器所加载的变容二极管提供反向偏置电压。
作为一种优选方案，所述第一谐振器与第一直流电压源之间、第二谐振器与第一直流电压源之间、第三谐振器与第二直流电压源之间、第四谐振器与第二直流电压源之间均串接有一个高频扼流圈。
作为一种优选方案，所述高频扼流圈采用电感值为100nH的高频扼流圈。
作为一种优选方案，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器均采用1/4波长短路谐振器。
作为一种优选方案，所述变容二极管采用SMV1413型变容二极管，其反向偏置电压从0～30V连续可调，电容值在9.27-1.77pF之间非线性递减。
作为一种优选方案，所述介质基板采用介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切值为0.0029的介质基板。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的可重构双频带通滤波器通过两组独立耦合的单端加载变容二极管的谐振器实现两个独立可重构的通带，使得设计更加灵活及小型化，电磁兼容性更好。
2、本发明的可重构双频带通滤波器的两个通带绝对带宽在频率调谐的过程中保持相对恒定，满足了实际应用中双频无线通信系统的需求，克服了传统可重构滤波器频率调谐时带宽随之变化的问题。
3、本发明的可重构双频带通滤波器采用两组共四个单端加载变容二极管的短路谐振器，通过适当的弯曲折叠，将高频段较小尺寸的谐振器嵌套在低频段较大尺寸的谐振器内部，形成“田”字形结构，大大减小了滤波器整体尺寸。
4、本发明的可重构双频带通滤波器的端口馈电线从两组谐振器之间馈电，将两个通带隔离开来，实现独立可控，更进一步将四个短路谐振器的短路点结合成一点，降低了滤波器的加工难度，提高了集成度。
附图说明
图1为本发明实施例1的可重构双频带通滤波器结构示意图。
图2为本发明实施例1的可重构双频带通滤波器等效拓扑结构图。
图3为本发明实施例1的可重构双频带通滤波器第一通带的S21参数仿真曲线图。
图4为本发明实施例1的可重构双频带通滤波器第一通带的S11参数仿真曲线图。
图5为本发明实施例1的可重构双频带通滤波器第二通带的S21参数仿真曲线图。
图6为本发明实施例1的可重构双频带通滤波器第二通带的S11参数仿真曲线图。
图7为本发明实施例2的可重构双频带通滤波器未加偏置电压时的仿真和测量结果图。
图8为本发明实施例2的可重构双频带通滤波器第一通带的S21参数仿真和测量结果图。
图9为本发明实施例2的可重构双频带通滤波器第一通带的S11参数仿真和测量结果图。
图10为本发明实施例2的可重构双频带通滤波器第二通带的S21参数仿真和测量结果图。
图11为本发明实施例2的可重构双频带通滤波器第二通带的S11参数仿真和测量结果图。
其中，1-微带线结构，2-介质基板，3-金属通孔，4-第一谐振器，5-第二谐振器，6-第三谐振器，7-第四谐振器，8-第一端口馈电线，9-第二端口馈电线，Cv-变容二极管，Bias1-第一直流电压源，Bias2-第二直流电压源，Lchoke-高频扼流圈，Port1-输入端口，Port2-输出端口。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的可重构双频带通滤波器包括上层的微带线结构1、中层的介质基板2、下层的接地金属贴片(图中未示出)以及金属通孔3，所述金属通孔3依次贯穿微带线结构1、介质基板2和接地金属贴片，使微带线结构1与接地金属贴片之间通过介质基板2连接；所述微带线结构1包括第一谐振器4、第二谐振器5、第三谐振器6和第四谐振器7，第一谐振器4和第二谐振器5在经过适当的弯曲折叠后采用短路端耦合(即磁耦合)形成一组谐振器，第三谐振器6和第四谐振器7在经过适当的弯曲折叠后采用开路端耦合(即电耦合)形成另一组谐振器，两组谐振器使微带线结构1整体形成“田”字结构；对两组谐振器进行适当的弯曲折叠，一方面是为了减小滤波器的体积(即减少了滤波器的整体尺寸)，另一方面是为了让四个谐振器的短路点结合在一起，降低了加工难度，提高了集成度。
每个谐振器的一端都加载有一个变容二极管Cv，本实施例的变容二极管采用的是Skyworks公司生产的SMV1413型变容二极管，反向偏压从0～30V连续可调，电容值在9.27～1.77pF之间非线性递减；所述第一谐振器4和第二谐振器5均连接第一直流电压源Bias1，用第一直流电压源Bias1为第一谐振器4和第二谐振器5所加载的变容二极管Cv提供反向偏置电压，所述第三谐振器6和第四谐振器7均连接第二直流电压源Bias2，用第二直流电压源Bias2为第三谐振器6和第四谐振器7所加载的变容二极管Cv提供反向偏置电压；所述第一谐振器4与第一直流电压源Bias1之间、第二谐振器5与第一直流电压源Bias1之间、第三谐振器6与第二直流电压源Bias2之间、第四谐振器7与第二直流电压源Bias2之间均串接有一个电感值为100nH的高频扼流圈Lchoke，该高频扼流圈Lchok能够防止射频信号短路到直流电源的地。
所述第一谐振器4与第三谐振器6之间设有第一端口馈电线8，所述第二谐振器5和第四谐振器7之间设有第二端口馈电线9，所述第一端口馈电线8的左端作为输入端口Port1，所述第二端口馈电线9的右端作为输出端口Port2，所述第一谐振器4、第三谐振器6和第一端口馈电线8分别与第二谐振器5、第四谐振器7和第二端口馈电线9左右对称，两条端口馈电线从两组谐振器之间馈电；所述第一端口馈电线8与第一谐振器4之间的间距、第一端口馈电线8与第三谐振器6之间的间距、第二端口馈电线9与第二谐振器5之间的间距以及第二端口馈电线9与第四谐振器7之间的间距都是相同的。
上述滤波器等效拓扑结构如图2所示，图中数字1、2、3和4分别表示第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，S表示源端，L表示负载端，第一谐振器和第二谐振器构成低频段第一通带(PB1)，第一谐振器和第二谐振器的电长度大致选为第一通带中心频率f01下的四分之一波长(λ)，和输入端口、输出端口之间通过平行耦合线馈电；第三谐振器和第四谐振器构成高频段第二通带(PB2)，第三谐振器和第四谐振器的电长度大致选为第二通带中心频率f02下的四分之一波长(λ)，同样和输入端口、输出端口之间通过平行耦合线馈电；
通过上述结构描述可知，由于第一端口馈电线位于第一谐振器和第三谐振器之间，第二端口馈电线位于第二谐振器和第四谐振器之间，两组谐振器之间不存在交叉耦合，但源和负载之间引入了耦合，目的是在通带两侧产生传输零点，提高选择性；由于两组谐振器之间不存在交叉耦合，因此两个通带都能够进行独立调谐(第一通带通过第一直流电压源Bias1进行调谐，第二通带通过第二直流电压源Bias2进行调谐)，另一通带几乎保持不变；通过选取适当的耦合区域和耦合强度，能够实现两个通带在调谐范围内的绝对带宽恒定，实现常数绝对带宽的理论条件是：
Qe∝f0，ki，j∝1/f0 (1)
其中，Qe是外部品质因数，ki，j是耦合系数，f0为通带中心频率；谐振器之间的耦合方式一共有三种，分别是电耦合、磁耦合或者电磁混合耦合；当ki，j＞0时，是电耦合占优，ki，j随频率变小有三种控制耦合的方式：1)kE变小；2)kM变大；3)kE变小同时kM变大；当ki，j＜0时，是磁耦合占优，此时要减小总耦合强度，也有三种控制方式：1)kM变大2)kM变小；3)kE变大同时kM变小。其中，kE为电耦合强度，kM为磁耦合强度。对于第一通带而言，kM占优，变容二极管随电压增大，电容值降低，等效电长度也降低，此时磁耦合变小，频率升高，因此实现了常数绝对带宽。对于第二通带而言，kE占优，同样道理使得绝对带宽相对恒定。
从图3的S21参数(输入端口到输出端口的正向传输系数)仿真结果和图4的S11参数(输入端口的回波损耗)仿真结果可以看出，当Bias2保持1V，Bias1从0～30V连续调节时，第一通带的中心频率往高频处移动，且响应的形状基本不变，而第二通带的中心频率保持恒定；从图5的S21参数仿真结果和图6的S11参数仿真结果可以看出，当Bias1保持2V，Bias2从0～30V连续调节时，第二通带的中心频率往高频处移动，绝对带宽也基本保持不变，第一通带中心频率不变；由于引入了源负载耦合，在通带两侧都存在传输零点，提高了滤波器的选择性。
通过以上分析可知，本发明通过实施两组独立耦合的单端加载变容二极管的四分之一波长短路谐振器，实现了两个通带中心频率独立可重构，且绝对带宽保持相对恒定，通带和带外选择性能良好。本发明所包含的是其绝对带宽恒定的双频独立可重构设计的原理，将微带线结构替换成同轴线或其他相似结构，都是可行的。
实施例2：
本实施例要设计出一个常数绝对带宽可重构双频段带通滤波器，在图1的结构基础上，根据式(1)调节合适的耦合系数ki，j实现常数绝对带宽的要求，调节端耦合强度对外部品质因数Qe进行一定的匹配补偿，调节源负载耦合强度改变带外传输零点位置，提高滤波器的选择性。本实施例的电路和电磁仿真软件为Agilent Advanced Design System(ADS)。常数绝对带宽可重构双频带通滤波器选择加工在介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切值为0.0029的介质基板上，具体物理尺寸如下表1所示，图7示出了该滤波器未加偏置电压时的仿真和测量结果，点划线表示仿真结果，实线表示测量结果；
表1可重构双频带通滤波器尺寸
本实施例通过Agilent 5230网络分析仪测量，仿真和测量结果如图8～图11所示(图中虚线表示仿真结果，实线表示测量结果)。测量两个频带中心频率可调范围分别为0.984-1.216GHz和1.636-1.944GHz，相对可调范围为21.1％和17.2％；第一通带的仿真3dB绝对带宽为71.5±4.5MHz，波动为6.3％，第二通带118±6MHz，波动为5.1％；频率调谐过程中两个通带保持39dB以上的隔离度，带外传输零点随着频率移动，保持着较好的选择性；第一通带实际加工插损在-2.1dB到-3.0之间，第二通带实际加工插损在-2.84到-4.0dB之间；在整个调谐范围内第一通带回波损耗大于10.1dB，第二通带大于14.4dB，滤波器匹配良好。从图8～图11来看，仿真结果和测量结果吻合程度较高，频率的误差主要是由加工偏差以及变容二极管本身的参数误差所引起的。
综上所述，本发明提出的可重构双频带通滤波器，填补了目前可重构滤波器技术研究的一部分空白，提升了系统的集成度和电磁兼容性，两个通带独立可重构且绝对带宽维持基本恒定，可以更好地满足现有双频无线通信系统的应用。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种可重构双频段带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属贴片以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和接地金属贴片，使微带线结构与接地金属贴片之间通过介质基板连接，其特征在于：所述微带线结构包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器在弯曲折叠后耦合形成一组谐振器，所述第三谐振器和第四谐振器在弯曲折叠后耦合形成另一组谐振器，两组谐振器使微带线结构整体形成“田”字结构；每个谐振器的一端都加载有一个变容二极管；
所述第一谐振器与第二谐振器之间采用短路端耦合，所述第三谐振器和第四谐振器之间采用开路端耦合。
2.根据权利要求1所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器与第三谐振器之间设有第一端口馈电线，所述第二谐振器和第四谐振器之间设有第二端口馈电线，所述第一端口馈电线的左端作为输入端口，所述第二端口馈电线的右端作为输出端口，所述第一谐振器、第三谐振器和第一端口馈电线分别与第二谐振器、第四谐振器和第二端口馈电线左右对称。
3.根据权利要求2所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述第一端口馈电线与第一谐振器之间的间距、第一端口馈电线与第三谐振器之间的间距、第二端口馈电线与第二谐振器之间的间距以及第二端口馈电线与第四谐振器之间的间距都是相同的。
4.根据权利要求1所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器和第二谐振器均连接第一直流电压源，所述第三谐振器和第四谐振器均连接第二直流电压源，所述第一直流电压源用于为第一谐振器和第二谐振器所加载的变容二极管提供反向偏置电压，所述第二直流电压源用于为第三谐振器和第四谐振器所加载的变容二极管提供反向偏置电压。
5.根据权利要求4所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器与第一直流电压源之间、第二谐振器与第一直流电压源之间、第三谐振器与第二直流电压源之间、第四谐振器与第二直流电压源之间均串接有一个高频扼流圈。
6.根据权利要求5所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述高频扼流圈采用电感值为100nH的高频扼流圈。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器均采用1/4波长短路谐振器。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述变容二极管采用SMV1413型变容二极管，其反向偏置电压从0～30V连续可调，电容值在9.27-1.77pF之间非线性递减。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种可重构双频段带通滤波器，其特征在于：所述介质基板采用介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切值为0.0029的介质基板。
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