CN104733813B - 一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，包括上层的微带线结构和有源电路、中层的介质基板、下层的接地金属贴片以及金属通孔，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，微带线结构包括第一端口馈电线、第二端口馈电线、第一谐振器和第二谐振器，第一端口馈电线与第二端口馈电线左右对称，第一谐振器设置在第一端口馈电线和第二端口馈电线的上方，第二谐振器设置在第一端口馈电线和第二端口馈电线的下方，整个微带线结构呈“十”字型结构。本发明的频率和带宽独立可重构，并且在通带两侧各有一个传输零点，提高了滤波器的矩形度和选择性，总体性能良好。

Description

一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种宽带带通滤波器，尤其是一种应用在宽带前端系统的频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，属于微波通信技术领域。

背景技术

随着现代无线通信技术的不断发展，射频前端往往需要融合多种无线信道和通信标准，这些无线信道和通信标准不仅中心频率不同，还有不同的带宽要求。这就要求一种同时具有频率和带宽调节能力的可重构射频前端。传统的调谐滤波器无法自由调节带宽，不能适应现代无线系统的要求。正因此，一种同时具有中心频率和带宽调节能力的滤波器被提出，其英文名为fully tunable filter，中文译为全可调滤波器。该种滤波器是电调滤波器研究的前沿和趋势之一，目前国际上只有少量文献报道。此外，目前对可重构滤波器的研究基本上是在窄带滤波器上开展，多模、宽带可重构滤波器的研究仍存在许多空白，无法满足宽带可重构通信系统的需求。多模、宽带同样是电调滤波器的另一个重要的发展趋势。

根据当前已有的全可调带通滤波器研究成果，比较典型的有以下两种的设计方法：

1)2011年Yi-Chyun Chiou和Gabriel M.Rebeiz在IEEE Transaction on MTT上发表了“A Tunable Three-Pole 1.5-2.2-GHz Bandpass Filter With Bandwidth andTransmission Zero Control”，采用传统梳状线带通滤波器改进耦合结构实现频率和带宽的可重构，如图1、图2a～2b和图3a～3c所示，可调范围在1.5～2.2GHz之间，绝对带宽是50～170MHz(相对带宽2.2％～11.2％)。文章详细讨论了如何通过控制D1改变电长度调节中心频率，控制D2改变和W3，L3改变耦合强度调节带宽，为全可调滤波器的设计提供了另外一种有效的方法。

2)2013年Theunis S.Beukman和Riana H.Geschke在IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.上发表了“A Tune-All Wideband Filter Based on Perturbed Ring-Resonators”，文章采用引入微扰使得环形谐振器模式分离，并用变容管分别控制两个模式，得到频率和带宽全可调的特性，由奇偶模分析理论可以得知奇模由串联电容C1独立控制，偶模由并联电容C2独立控制，滤波器结构如图4所示，设计出的滤波器拥有9％的频率调节范围和25.3％的带宽调节范围。

已发表的现有技术多涉及频率可重构滤波器，带宽可重构的研究成果相对较少。现代无线通信系统的射频前端往往需要融合多种无线信道和通信标准，这些无线信道和通信标准不仅中心频率不同，还有不同的带宽要求，这就要求一种同时具有频率和带宽调节能力的可重构射频前端。目前已发表的现有技术绝大部分是基于窄带滤波器基础上设计的，无法满足宽带可重构通信系统的需求，对于宽带可重构滤波器，所提方法和结构以及所实现的性能有限。此外，在开路谐振器上加载有源器件，微带结构在和有源器件相结合时不可避免地要引入接地过孔，对于短路谐振器而言，结合有源器件的设计直接简单，但有些时候为实现更好性能和更小的体积，开路谐振器应该优先考虑，由于本身不具备接地点，设计难度相对较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，该滤波器的频率和带宽独立可重构，并且在通带两侧各有一个传输零点，提高了滤波器的矩形度和选择性，总体性能良好。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，包括上层的微带线结构和有源电路、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端口馈电线、第二端口馈电线、第一谐振器和第二谐振器，所述第一端口馈电线与第二端口馈电线左右对称，所述第一谐振器设置在第一端口馈电线和第二端口馈电线的上方，所述第二谐振器设置在第一端口馈电线和第二端口馈电线的下方，整个微带线结构呈“十”字型结构；

所述第一谐振器包括第一传输线和短路枝节，所述短路枝节垂直设置在第一传输线的中心，使第一谐振器呈倒T型结构；所述第一传输线的中心两侧分别加载有第一变容二极管和第二变容二极管，所述短路枝节上加载有第三变容二极管，所述第一变容二极管和第二变容二极管左右对称；

所述第二谐振器包括第二传输线和开路枝节，所述开路枝节垂直设置在第二传输线的中心，使第二谐振器呈T型结构；所述第二传输线的中心两侧分别加载有第四变容二极管和第五变容二极管，所述开路枝节上加载有第六变容二极管，所述第四变容二极管和第五变容二极管左右对称。

作为一种优选方案，所述第三变容二极管串接有第一隔直电容，所述第六变容二极管串接有第二隔直电容。

作为一种优选方案，所述第三变容二极管与第一隔直电容之间的线路上连接第一直流电压源，所述第六变容二极管与第二隔直电容之间的线路上连接第二直流电压源，所述短路枝节在靠近第一传输线的位置上和开路枝节在靠近第二传输线的位置上均连接第三直流电压源。

作为一种优选方案，所述第三变容二极管与第一隔直电容之间的线路通过第一高频扼流圈连接第一直流电压源，所述第六变容二极管与第二隔直电容之间的线路通过第二高频扼流圈连接第二直流电压源，所述短路枝节在靠近第一传输线的位置上通过第三高频扼流圈连接第三直流电压源，所述开路枝节在靠近第二传输线的位置上通过第四高频扼流圈连接第三直流电压源。

作为一种优选方案，所述金属通孔有六个，分别为第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔、第五金属通孔和第六金属通孔，所述第一金属通孔设置在短路枝节远离第一传输线的一端，所述第二金属通孔设置在第一谐振器的左上侧，并通过第五高频扼流圈与第一传输线连接，所述第三金属通孔设置在第一谐振器的右上侧，并通过第六高频扼流圈与第一传输线连接，所述第四金属通孔设置在第二谐振器的左下侧，并通过第七高频扼流圈与第二传输线连接，所述第五金属通孔设置在第二谐振器的右下侧，并通过第八高频扼流圈与第二传输线连接，所述第六金属通孔设置开路枝节的一侧，并通过第九高频扼流圈与开路枝节连接。

作为一种优选方案，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。

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、第二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二谐振器之间的间距以及第二端口馈电线与第二谐振器之间的间距都是相同的。

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、本发明的宽带带通滤波器通过两个并联的中心加载短路/开路枝节T型谐振器，对每个模式独立调谐，实现了频率和带宽的独立可重构，可以满足不同频率和带宽需求的无线通信系统需求，电磁兼容性更好。

2、本发明的宽带带通滤波器通过两个T型谐振器产生一个奇模和两个偶模，构成了三模宽带可重构滤波器，其中心频率和绝对带宽独立可调，满足了实际应用中宽带无线通信系统的需求，克服了传统可重构滤波器带宽较窄的问题。

3、本发明的宽带带通滤波器采用两个并联的中心加载短路/开路枝节T型谐振器，通过在传输线以及短路/开路枝节上分别加载变容二极管(Varactor)，实现对奇模、偶模的独立可控；对于开路结构，通过高频扼流圈(choke)引入额外的接地过孔，成功地将有源器件与开路结构融合起来，实现对开路谐振器的电可重构；与绝大部分是基于短路谐振器设计的现有技术相比，解决了基于开路结构设计可重构微波器件的问题。

附图说明

图1为现有技术的一种全可调带通滤波器结构示意图。

图2a为图1所示滤波器的S₂₁参数仿真曲线图。

图2b为图1所示滤波器的S₁₁参数仿真曲线图。

图3a～3c为图1所示滤波器在不同直流电压源下的S₂₁参数仿真曲线图。

图4为现有技术的另一种全可调带通滤波器结构示意图。

图5为本发明实施例1的宽带带通滤波器结构示意图。

图6为本发明实施例1的宽带带通滤波器奇模等效电路图。

图7为本发明实施例1的宽带带通滤波器偶模等效电路图。

图8为本发明实施例1的宽带带通滤波器弱耦合激励下的模式分布仿真曲线图。

图9为本发明实施例1的宽带带通滤波器在不同第一直流电压源的S参数仿真和测试结果对比曲线图。

图10为本发明实施例1的宽带带通滤波器在不同第二直流电压源的S参数仿真和测试结果对比曲线图。

图11为本发明实施例1的宽带带通滤波器在不同第三直流电压源的S参数仿真和测试结果对比曲线图。

其中，1-微带线结构，2-介质基板，3-第一端口馈电线，4-第二端口馈电线，5-第一传输线，6-短路枝节，7-第一变容二极管，8-第二变容二极管，9-第三变容二极管，10-第二传输线，11-开路枝节，12-第四变容二极管，13-第五变容二极管，14-第六变容二极管，15-第一隔直电容，16-第二隔直电容，17-第一高频扼流圈，18-第二高频扼流圈，19-第三高频扼流圈，20-第四高频扼流圈，21-第一金属通孔，22-第二金属通孔，23-第三金属通孔，24-第四金属通孔，25-第五金属通孔，26-第六金属通孔，27-第五高频扼流圈，28-第六高频扼流圈，29-第七高频扼流圈，30-第八高频扼流圈，31-第九高频扼流圈，V1-第一直流电压源，V2-第二直流电压源，V3-第三直流电压源，Port1-输入端口，Port2-输出端口。

具体实施方式

实施例1：

如图5所示，本实施例的宽带带通滤波器上层的微带线结构1和有源电路、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，所述金属通孔依次贯穿微带线结构1、介质基板2和接地金属贴片，所述微带线结构1包括第一端口馈电线3、第二端口馈电线4、第一谐振器和第二谐振器，所述第一端口馈电线3与第二端口馈电线4左右对称，第一端口馈电线3的左端作为输入端口Port1，第二端口馈电线4的右端作为输出端口Port2，所述第一谐振器设置在第一端口馈电线3和第二端口馈电线4的上方，所述第二谐振器设置在第一端口馈电线3和第二端口馈电线4的下方，所述第一端口馈电线3与第一谐振器之间的间距、第二端口馈电线4与第一谐振器之间的间距、第一端口馈电线3与第二谐振器之间的间距以及第二端口馈电线4与第二谐振器之间的间距都是相同的，整个微带线结构1呈“十”字型结构；

所述第一谐振器包括第一传输线5和短路枝节6，所述短路枝节6垂直设置在第一传输线5的中心，使第一谐振器呈倒T型结构，构成一个短路加载双模谐振器；所述第一传输线5的中心两侧分别加载有第一变容二极管7和第二变容二极管8，所述短路枝节6上加载有第三变容二极管9，所述第一变容二极管7和第二变容二极管8左右对称；

所述第二谐振器包括第二传输线10和开路枝节11，所述开路枝节11垂直设置在第二传输线10的中心，使第二谐振器呈T型结构，构成一个开路加载双模谐振器；所述第二传输线10的中心两侧分别加载有第四变容二极管12和第五变容二极管13，所述开路枝节11上加载有第六变容二极管14，所述第四变容二极管12和第五变容二极管13左右对称。

所述第三变容二极管9串接有第一隔直电容15，所述第六变容二极管14串接有第二隔直电容16；所述第三变容二极管9与第一隔直电容15之间的线路上连接第一直流电压源V1，所述第六变容二极管14与第二隔直电容16之间的线路上连接第二直流电压源V2，所述短路枝节6在靠近第一传输线5的位置上和开路枝节11在靠近第二传输线10的位置上均连接第三直流电压源V3，其中所述第三变容二极管9与第一隔直电容15之间的线路上通过第一高频扼流圈17连接第一直流电压源V1，所述第六变容二极管14与第二隔直电容16之间的线路上通过第二高频扼流圈18连接第二直流电压源V2，所述短路枝节6在靠近第一传输线5的位置上通过第三高频扼流圈19连接第三直流电压源V3，所述开路枝节11在靠近第二传输线10的位置上通过第四高频扼流圈20连接第三直流电压源V3。

所述金属通孔实际上也就是接地过孔，共有六个，分别为第一金属通孔21、第二金属通孔22、第三金属通孔23、第四金属通孔24、第五金属通孔25和第六金属通孔26，所述第一金属通孔21设置在短路枝节6远离第一传输线5的一端，所述第二金属通孔22设置在第一谐振器的左上侧，并通过第五高频扼流圈27与第一传输线5连接，所述第三金属通孔23设置在第一谐振器的右上侧，并通过第六高频扼流圈28与第一传输线5连接，所述第四金属通孔24设置在第二谐振器的左下侧，并通过第七高频扼流圈29与第二传输线10连接，所述第五金属通孔25设置在第二谐振器的右下侧，并通过第八高频扼流圈30与第二传输线10连接，所述第六金属通孔26设置开路枝节11的一侧(本实施例在开路枝节11的右边)，并通过第九高频扼流圈31与开路枝节11连接。

本实施例的宽带带通滤波器的奇模等效电路和偶模等效电路分别如图6和图7所示，第一谐振器和第二谐振器都有两个模式，其中它们产生的奇模Odd-mode，谐振频率均为f_odd，由第三直流电压源V3控制，电长度均为θ₁，大致为f_odd下的二分之一波长；第一谐振器产生的偶模Even-mode1，谐振频率为f_even1，由第一直流电压源V1独立控制，电长度为θ₁+θ₂，大致选为频率f_even1下的二分之一波长，和输入/输出端口之间通过平行耦合馈电；第二谐振器产生的偶模Even-mode2，谐振频率为f_even2，由第二直流电压源V2独立控制，电长度为θ₁+θ₃，大致选为频率f_even2下的一个波长，和输入/输出端口之间通过平行耦合馈电；其中，f_even1＜f_odd＜f_even2，由此构成了一个三模宽带带通滤波器；如图8所示(图中S₂₁表示输入端口到输出端口的正向传输系数)，从弱耦合激励下的响应可以明显看出第一直流电压源V1和第二直流电压源V2分别可以独立控制Even-mode1和Even-mode2，且两者互不影响，能够对滤波器通带的两侧独立进行控制实现带宽重构；而第三直流电压源V3则能够控制整体谐振频率；这种结构还在通带的两侧各产生了一个传输零点，很好地提高了通带的选择性。

从上述内容可知，本实施例的宽带带通滤波器基于多模独立可调的设计思路，在滤波器的两个谐振器上各加载了三个变容二极管，实现了频率和带宽的可重构，其中两个变容二极管对称加载于传输线中心两侧，第三个变容二极管加载于短路/开路枝节。

变容二极管加载常运用于微带短路结构或共面波导(CPW)等平面结构，甚少有开路结构采用，这是因为变容二极管这类有源器件需要接地才能正常工作，而开路结构本身不具备接地点；本实施例的开路结构融合有源器件的解决方案：在第一谐振器和第二谐振器之外增加接地过孔(即上述第二～第六金属通孔)，可见除了第一谐振器短路枝节上的接地过孔外，其它的接地过孔都是为了在开路结构中融合有源器件，都采用一个具有高Q值的高频扼流圈与谐振器连接；对于射频信号而言，谐振器并没有改变，依旧是开路结构，接地过孔不起作用；而对于直流源和有源器件而言，又满足了正常工作的条件，实现了对开路结构的电可重构。

通过以上分析可知，本发明通过实施两个并联的中心加载短路/开路枝节T型谐振器，实现了一个通带中心频率及带宽独立可重构的宽带带通滤波器，通带和带外选择性能良好。本发明所包含的是其中心频率和绝对带宽全可调设计的原理，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：

如图5所示，通过在两个T型谐振器(第一谐振器和第二谐振器)的传输线和枝节上分别加载变容二极管对奇模、偶模谐振频率进行独立控制，实现了一个频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器(也可称为全可调宽带带通滤波器)，其中心频率和绝对带宽可进行独立调谐。本实施例的电路和电磁仿真软件为Agilent Advanced Design System(ADS)。频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器选择加工在介电常数2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切为0.0029的介质基板上，具体物理尺寸如下表1所示。

表1 频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器尺寸

本实施例通过Agilent 5230网络分析仪测量，仿真和测量结果如图9-图11所示(图中，S₂₁表示输入端口到输出端口的正向传输系数，S₁₁表示输入端口的回波损耗，Simulated表示仿真结果，Measured表示测量结果)。测量的通带相对带宽为53.7％，中心频率可调范围分别为2.475～2.61GHz，相对可调范围为5.4％。中心频率固定为2.475GHz时，左边带的可调范围为1.81～2.51GHz，右边带的可调范围为3.14～3.31GHz，带宽相对可调范围为138％。频率和带宽调谐过程中，通带内插损在-0.75到-1.1dB之间，反射均保持在-10dB以下，滤波器匹配良好，通带两侧的传输零点大大提高了选择性。仿真和测量结果在低频的吻合程度非常高，高频处频率的误差主要是由于变容二极管本身的性能在3GHz以上有所衰减所引起的。

综上所述，本发明提出的频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，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。作为一款可重构的宽带带通滤波器，其中心频率及绝对带宽可以独立进行调谐，更好地满足现有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 (5)

1.一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，包括上层的微带线结构和有源电路、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端口馈电线、第二端口馈电线、第一谐振器和第二谐振器，所述第一端口馈电线与第二端口馈电线左右对称，所述第一谐振器设置在第一端口馈电线和第二端口馈电线的上方，所述第二谐振器设置在第一端口馈电线和第二端口馈电线的下方，整个微带线结构呈“十”字型结构；

所述第一谐振器包括第一传输线和短路枝节，所述短路枝节垂直设置在第一传输线的中心，使第一谐振器呈倒T型结构；所述第一传输线的中心两侧分别加载有第一变容二极管和第二变容二极管，所述短路枝节上加载有第三变容二极管，所述第一变容二极管和第二变容二极管左右对称；

所述第二谐振器包括第二传输线和开路枝节，所述开路枝节垂直设置在第二传输线的中心，使第二谐振器呈T型结构；所述第二传输线的中心两侧分别加载有第四变容二极管和第五变容二极管，所述开路枝节上加载有第六变容二极管，所述第四变容二极管和第五变容二极管左右对称；

所述第三变容二极管串接有第一隔直电容，所述第六变容二极管串接有第二隔直电容；所述第三变容二极管与第一隔直电容之间的线路上连接第一直流电压源，所述第六变容二极管与第二隔直电容之间的线路上连接第二直流电压源，所述短路枝节在靠近第一传输线的位置上和开路枝节在靠近第二传输线的位置上均连接第三直流电压源；所述第三变容二极管与第一隔直电容之间的线路上通过第一高频扼流圈连接第一直流电压源，所述第六变容二极管与第二隔直电容之间的线路上通过第二高频扼流圈连接第二直流电压源，所述短路枝节在靠近第一传输线的位置上通过第三高频扼流圈连接第三直流电压源，所述开路枝节在靠近第二传输线的位置上通过第四高频扼流圈连接第三直流电压源；

所述金属通孔有六个，分别为第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔、第五金属通孔和第六金属通孔，所述第一金属通孔设置在短路枝节远离第一传输线的一端，所述第二金属通孔通过第五高频扼流圈与第一传输线连接，所述第三金属通孔通过第六高频扼流圈与第一传输线连接，所述第四金属通孔通过第七高频扼流圈与第二传输线连接，所述第五金属通孔通过第八高频扼流圈与第二传输线连接，所述第六金属通孔通过第九高频扼流圈与开路枝节连接。

2.根据权利要求1所述的一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，其特征在于：所述第二金属通孔设置在第一谐振器的左上侧，所述第三金属通孔设置在第一谐振器的右上侧，所述第四金属通孔设置在第二谐振器的左下侧，所述第五金属通孔设置在第二谐振器的右下侧，所述第六金属通孔设置开路枝节的一侧。

3.根据权利要求1所述的一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，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、第二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二谐振器之间的间距以及第二端口馈电线与第二谐振器之间的间距都是相同的。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种频率和带宽均可重构的宽带带通滤波器，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。