CN104701591B - 基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，该滤波器包括上层微带结构、加载电容、加载变容二极管、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，在中间介质基板下表面为底层金属地板；所述上层微带结构由四个半波长谐振器、四条馈电线、四个端口组成；所述每条馈电线的两端分别与所述每个半波长谐振器的两端形成对称耦合；所述端口分别位于馈线的中间位置；所述加载变容二极管在所述半波长谐振器的开路端，用于调节中心频率；所述加载电容设置在所述馈电线的末端及馈电线之间的连接处，用于控制外部品质因数。

Description

基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器
技术领域
本发明涉及一种电调共模抑制滤波器，尤其涉及可应用于射频前段电路的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器。
背景技术
现有在无线通信系统中，共模抑制滤波器具有很大的需求，因为它对环境噪声具有很好的抗干扰能力。近年来，海内外学者展开了很多研究来设计这样的滤波器。其中有人在微带结构的地板上使用S形的谐振环来抑制共模信号，这样的滤波电路可以在不添加外接电路结构的情况下抑制共模信号，但是它会产生比较大的损耗，同时共模信号的抑制效果也不是很好；此外，更加常用的一种方式是设计一些特殊的电路结构，使其输入共模信号时具有带阻特性，而输入差模信号时是带通的效果，这种设计方法比较简单，但是这有个缺点，就是不能很好地控制差模信号的带外效果；另外，还可以使用支节加载电路，使共模信号与差模信号的谐振频率不在同一频率，这样也可以得到差模抑制的效果，不过这样设计也存在共模信号带外抑制不好的问题。为了得到更好的带通效果，增强选择性，同时使共模信号得到更好的抑制，有人使用了介质集成波导(SIW)来设计电路，得到了低损耗，高选择性，高共模信号抑制的带通滤波器。除了以上提到的单频共模抑制滤波器，也有人用支节加载线设计了双频，三频等电路。不过不幸的是这些电路都不是可调的，限制了其应用范围。
在可重构通信系统中，电可调的带通滤波器在近年来受到了很高程度的重视。虽然今年来很多文献公开提出了电调滤波器的设计方法，包括谐波抑制，恒定相对带宽，恒定绝对带宽等，但是这些都是双端口滤波网络，而四端口的具有共模抑制效果的电路却并不多。虽然国内外学者开始重视这个方向并做了一些探索，但还面临较大的挑战。在文献《J.R.Mao,W.Q.Che,Y.L.Ma,and J.X.Chen,“Tunable differential-mode bandpassfilters with wide tuning range and high common-mode suppression,”IETProc.Microwaves,Antennas&Propagation,vol.8,no.6,pp.437-444,May.2014.》和《Y.C.Li,and Q.Xue,“Tunable balanced bandpass filter with constant bandwidthand high common-mode suppression,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.59,no.10,pp.2452–2460,Apr.2011.》中分别提到了使用阶跃阻抗谐振器和中心加载集总元件的方法来设计电调的电调的共模抑制滤波器。但是这两个方法都是通过控制谐振器来抑制共模信号的，目前为止，还没有公开提出通过控制馈电结构来抑制共模信号的电调滤波器。为此，本发明提出了一种通过馈电结构来抑制共模信号的电调滤波器，当输入信号为共模信号时，馈电线与谐振器之间的耦合被控制为频率选择性耦合，表现为抑制状态，可以将共模信号抑制到-50dB以下；当输入差模信号时，电路输出为带通滤波效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，两对半波长谐振器组成了两个滤波网络；当两输入端口输入共模信号时，馈电线与谐振器之间的耦合被控制为频率选择性耦合，表现为衰减大于50dB的输出信号抑制；当两输入端口输入差模信号时，输出为滤波效果；除此之外，四个半波长谐振器的两端都加上了变容二极管，控制变容二极管的加载电压可以控制滤波器的中心频率，得到中心频率从970MHz到1350MHz电可调的共模抑制滤波器。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，包括：
上层微带结构、加载电容、加载变容二极管、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，在中间介质基板下表面为底层金属地板；
所述上层微带结构由四个半波长谐振器、四条馈电线、四个端口组成；所述每条馈电线的两端分别与每个半波长谐振器的两端形成对称耦合；所述四个端口分别位于四条馈电线的中间位置；
所述加载变容二极管在所述半波长谐振器的开路端，用于调节中心频率；
所述加载电容设置在所述馈电线的末端及馈电线之间的连接处，用于控制外部品质因数。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
利用馈电线与谐振器之间的耦合实现了对共模信号的抑制，使用这种方法可以得到宽范围内的高共模信号抑制效果；对比其他通过谐振器来抑制共模信号的方法更容易设计通带性能，增加了设计的灵活性。同时加载在每个半波长谐振器开路端的变容二极管可以用来调节中心频率，实现了共模信号抑制和频率可调两个功能的融合设计。
附图说明
图1是基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器的结构图；
图2是基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器的设计结构图；
图3是Sdd11参数和Sdd21参数的实验结果图；
图4是Scc11参数和Scc21参数的实验结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器的结构，包括上层微带结构、加载电容、加载变容二极管、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，在中间介质基板下表面为底层金属地板；
所述上层微带结构由四个半波长谐振器、四条馈电线和四个端口组成；所述每条馈电线的两端分别与每个半波长谐振器的两端形成对称耦合；所述四个端口分别位于四条馈电线的中间位置。
上述加载变容二极管在所述半波长谐振器的开路端，实现中心频率可调；上述加载电容设置在所述馈电线的末端及馈电线之间的连接处，实现对外部品质因数的控制。
上述端口和馈电线分别设置在滤波器的左右两边，其中，左边的两个端口为输入端口，右边的两个端口为输出端口；左边的两条馈电线相互连接，右边的两条馈电线相互连接。电路输入共模信号时，半波长谐振器的两端电压等幅反相，馈电线的两端电压等幅同相，馈电线与谐振器的耦合总量为零，得到共模信号的高抑制效果；电路输入差模信号时，馈电线之间的连接处相当于接地短路，馈电线与谐振器的耦合总量不为零，得到差模信号的带通滤波效果。
所述上层微带结构为上下对称和左右对称的图形，由水平对称轴AA'和垂直对称轴BB'分为四部分，每个部分包含一条馈电线和一个半波长谐振器；在第一部分Ⅰ中，半波长谐振器弯折成一个上下对称的矩形开口环，由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7顺次连接而成，其中第一微带线1和第七微带线7为半波长谐振器的两个开路端；位于第一部分Ⅰ的馈电线弯折成“[”形，由第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10、第十一微带线11和第十二微带线12顺次连接而成，在这条馈电线的中点处引出第一端口P1，其中，第二端口为P2，第三端口为P1□、第四端口为P2□；所述的位于第一部分的“[”形馈电线嵌套于弯成矩形开口环的半波长谐振器的开口的一侧，与半波长谐振器形成耦合，其中第九微带线9与第三微带线3相互平行且靠近，第十微带线10与第二微带线2和第六微带线6相互平行且靠近，第十一微带线11与第五微带线5相互平行且靠近；此外，在所有半波长谐振器的开路端都加上加载变容二极管，用以实现中心频率可调；第一部分Ⅰ的馈电线与第三部分Ⅲ的馈电线相互连接，第二部分Ⅱ的馈电线与第四部分Ⅳ的馈电线相互连接，并且在馈电线的末端及馈电线之间的连接处加上电容，实现对外部品质因数的控制；第二部分，第三部分，第四部分可以根据两条对称轴由第一部分对称得到。
上述加载在所述半波长谐振器末端的加载变容二极管是相同的；
加载在馈电线连接处的加载电容值是加载在馈电线末端加载电容值的两倍。
上述位于第一部分Ⅰ的半波长谐振器与位于第二部分Ⅱ的半波长谐振器在开口所对的一边相互平行且靠近形成耦合，形成一个滤波网络；位于第三部分Ⅲ的半波长谐振器与位于第四部分Ⅳ的半波长谐振器在开口所对的一边相互平行且靠近形成耦合，形成一个滤波网络。
如图2所示，为基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器设计尺寸结构图，具体电路尺寸为：W1＝0.5mm，W2＝0.3mm，W3＝1.86mm，L1＝9mm，L2＝12mm，L3＝3mm，L4＝1.5mm，L5＝4.6mm，g1＝0.2mm，g2＝0.35mm,本设计中选择变容二极管的是东芝的1sv277,所用的介质基板为Rogers 4003。电路整体尺寸为33mm×27mm。
如图3所示为Sdd11参数和Sdd21参数的实验结果图，可知，在电调过程中，中心频率由970MHz到1350MHz范围内调节，回波损耗始终大于15dB，插入损耗小于2.3dB。
如图4所示为Scc11参数和Scc21参数的实验结果图，在任何情况下都通带内共模信号的抑制效果都在-50dB以下，实现了较好的共模抑制效果，证明了本发明设计理论的正确性。
综上所述，本实施例提供的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器体积小，共模信号抑制效果好，差模信号损耗小，中心频率可调范围宽的优异性能，适合应用于无线通信系统的射频前端中。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，其特征在于，所述滤波器包括上层微带结构、加载电容、加载变容二极管、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，在中间介质基板下表面为底层金属地板；
所述上层微带结构由四个半波长谐振器、四条馈电线、四个端口组成；所述馈电线为弯折形，嵌套于弯成矩形开口环的半波长谐振器开口的一侧，并与半波长谐振器形成耦合；所述四个端口分别位于四条馈电线的中间位置；
所述加载变容二极管在所述半波长谐振器的开路端，用于调节中心频率；
所述加载电容设置在所述馈电线的末端及馈电线之间的连接处，用于控制外部品质因数；
所述端口和馈电线分别设置在滤波器的左右两边，其中，左边的两个端口为输入端口，右边的两个端口为输出端口；左边的两条馈电线相互连接，右边的两条馈电线相互连接。
2.如权利要求1所述的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，其特征在于，所述上层微带结构由所述四个半波长谐振器、四条馈电线和四个端口构成上下对称和左右对称的图形，并由水平对称轴和垂直对称轴分为四部分，且每部分至少包含一条馈电线和一个半波长谐振器。
3.如权利要求2所述的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，其特征在于，在第一部分中：
半波长谐振器弯折成一个上下对称的矩形开口环，且由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线和第七微带线顺次连接而成，其中第一微带线和第七微带线为半波长谐振器的两个开路端。
4.如权利要求1所述的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，其特征在于，所述弯折形馈电线由第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线和第十二微带线顺次连接而成，其中，
第九微带线与第三微带线相互平行且靠近；
第十微带线与第二微带线和第六微带线相互平行且靠近；
第十一微带线与第五微带线相互平行且靠近。
5.如权利要求1所述的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，其特征在于，
加载在所述半波长谐振器开路端的加载变容二极管是相同的；
加载在馈电线连接处的加载电容值是加载在馈电线末端加载电容值的两倍。
6.如权利要求2所述的基于频率选择性耦合的电调共模抑制滤波器，其特征在于，
位于第一部分的半波长谐振器与位于第二部分的半波长谐振器在开口所对的一边相互平行且靠近形成耦合，形成一个滤波网络；
位于第三部分的半波长谐振器与位于第四部分的半波长谐振器在开口所对的一边相互平行且靠近形成耦合，形成一个滤波网络。
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