CN104821420A - 一种可重构双频段带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构双频段带阻滤波器，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，微带线结构包括主传输线、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，主传输线弯曲折叠成左右两边对称、中部向下凹的结构，第一谐振器和第二谐振器在弯曲折叠后，分别设置在主传输线的左下方和右下方，并耦合形成一组谐振器；第三谐振器和第四谐振器在弯曲折叠后，设置在主传输线中部向下凹的位置上，并耦合形成另一组谐振器；每个谐振器的短路端都加载有一个变容二极管。本发明的滤波器结构紧凑，实现了两个阻带的独立可重构和恒定的绝对带宽。

Description

一种可重构双频段带阻滤波器

技术领域

本发明涉及一种带阻滤波器，尤其是一种应用在双频前端系统的具有恒定绝对带宽的可重构双频段带阻滤波器，属于微波通信技术领域。

背景技术

随着信息技术的快速发展，集成密度高同时功能多、小型、轻量、高稳定性、低成本和低功耗的无线电终端成为了无线通信领域的主要研究方向。在射频前端，多频或可调滤波器作为多频/跳频收发机中的关键器件，可以有效滤除各频段的噪声和各种无用信号、降低频道间干扰，实现高质量通信。实际应用中，恒定绝对带宽的可重构滤波器扮演着更为重要角色。恒定绝对带宽的可重构双频带阻滤波器具有双阻带独立可重构、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。

绝对带宽恒定的可重构带阻滤波器目前已经得到了一些学者的关注，也提出了几种不同的设计方法：

1)2015年Ching-Wen Tang等人在IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.上发表了“A Compact Tunable Notch Filter With Wide Constant Absolute Bandwidth”，文章采用的是枝节加载的方式产生阻带，枝节基本上完全用变容二极管和贴片电感代替，实现了一个单阶的频率可调的带阻滤波器，其优点是尺寸很小，频率调节范围大，阻带绝对带宽基本恒定。

2)2012年，国内学者章秀银等人在IEEE Trans.Ind.Electron.上发表了“RF TunableBandstop Filters With Constant Bandwidth Based on a Doublet Configuration”，文章提出一种绝对带宽恒定的带阻滤波模块，其频率可调且绝对带宽基本恒定。采用多个这种滤波模块级联可以实现一个高阶的带阻滤波器。虽然级联可以获得高阶的阻带，但体积随之成倍增大。

3)2009年，Shao Ying Huang等人在IEEE Transaction on MTT上发表的“A CompactE-Shaped Patterned Ground Structure and Its Applications to Tunable Bandstop Resonator”文章中，基于改进型的缺陷地结构，使用了变容二极管加载设计了一个单阶的可调带阻滤波器，其优点是尺寸比较小，目前有许多可调带阻滤波器的研究成果都是基于缺陷地结构设计的。

已公开的现有技术多涉及可重构单频带阻滤波器，适用于双频通信系统的可重构双频带阻滤波器极少，所提方法和结构以及所实现的性能有限。同样已公开的现有技术多涉及一阶带阻滤波器，二阶和二阶以上的可重构带阻滤波器极少，所提方法和结构以及所实现的性能有限。实际应用中更多的是恒定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，目前已公开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带阻滤波器。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种可重构双频段带阻滤波器，该滤波器结构紧凑，实现了两个独立可重构的二阶阻带，并且在频率调谐时均保持绝对带宽恒定，带外传输性良好。

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阻滤波器，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主传输线、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述主传输线弯曲折叠成左右两边对称、中部向下凹的结构，所述第一谐振器和第二谐振器在弯曲折叠后，分别设置在主传输线的左下方和右下方，并通过主传输线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，设置在主传输线中部向下凹的位置上，并通过主传输线耦合形成另一组谐振器；两组谐振器和主传输线使微带线结构整体呈“凹”字型结构；每个谐振器的短路端都加载有一个变容二极管。

作为一种优选方案，所述主传输线的左端设置有输入端口，右端设置有输出端口；所述第一谐振器、第三谐振器和输入端口分别与第二谐振器、第四谐振器和输出端口左右对称。

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，所述高频扼流圈的电感值为100nH。

作为一种优选方案，所述第一谐振器加载的变容二极管为第一变容二极管，所述第二谐振器加载的变容二极管为第二变容二极管，所述第三谐振器加载的变容二极管为第三变容二极管，所述第四谐振器加载的变容二极管为第四变容二极管；所述金属通孔有四个，分别为第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔和第四金属通孔，所述第一金属通孔与第二金属通孔左右对称，所述第三金属通孔与第四金属通孔左右对称；所述第一金属通孔通过第一变容二极管与第一谐振器相连，所述第二金属通孔通过第二变容二极管与第二谐振器相连，所述第三金属通孔通过第三变容二极管与第三谐振器相连，所述第四金属通孔通过第四变容二极管与第四谐振器相连。

作为一种优选方案，所述第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管和第四变容二极管均采用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9.24～1.77pF之间非线性递减。

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，所述第三谐振器和第四谐振器在弯曲折叠后均形成开口环结构。

作为一种优选方案，两组谐振器与主传输线之间的间距都是相同的。

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段带阻滤波器通过两组独立耦合的单端(短路端)加载变容二极管(Varactor)谐振器实现两个独立可重构的阻带，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段带阻滤波器通过两组独立耦合的单端(短路端)加载变容二极管谐振器实现两个二阶阻带，并在整个频率调节范围内显示两个模式，提升了阻带的矩形度，选择性更好。

3、本发明的可重构双频段带阻滤波器采用两组独立磁耦合的谐振器实现两个阻带，变容二极管控制磁耦合强度实现频率调谐范围内阻带的恒定绝对带宽，使得两个阻带绝对带宽保持相对恒定，带外传输性能良好。

4、本发明的可重构双频段带阻滤波器通过对两组谐振器和主传输线进行适当的弯曲折叠，使滤波器结构更紧凑，减小了滤波器的体积，提高了集成度，而且主传输线可以从两组谐振器之间馈电，将两个阻带隔离开来，实现独立调谐。

附图说明

图1为本发明实施例1的可重构双频段带阻滤波器结构示意图。

图2为本发明实施例1的采用平行耦合线馈电的谐振器等效电路图。

图3为本发明实施例2的可重构双频段带阻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4为本发明实施例2的可重构双频段带阻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。

其中，1-微带线结构，2-介质基板，3-主传输线，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-第一变容二极管，9-第二变容二极管，10-第三变容二极管，11-第四变容二极管，12-第一金属通孔，13-第二金属通孔，14-第三金属通孔，15-第四金属通孔，Bias1-第一直流电压源，Bias2-第二直流电压源，L_choke-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段带阻滤波器包括上层的微带线结构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，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包括主传输线3、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，所述主传输线3弯曲折叠成左右两边对称、中部向下凹的结构，所述第一谐振器4和第二谐振器5在弯曲折叠后，分别设置在主传输线3的左下方和右下方，并通过主传输线3耦合形成一组谐振器；所述第三谐振器6和第四谐振器7在弯曲折叠后均形成开口环结构，设置在主传输线3中部向下凹的位置上，并通过主传输线3形成另一组谐振器；两组谐振器和主传输线3使微带线结构1整体呈“凹”字型结构；通过对两组谐振器和主传输线3进行适当的弯曲折叠，使滤波器结构更紧凑，减小了滤波器的体积(即减少了滤波器的整体尺寸)，提高了集成度。

所述第一谐振器4的短路端加载有第一变容二极管8，所述第二谐振器5的短路端加载有第二变容二极管9，所述第三谐振器6的短路端加载有第三变容二极管10，所述第四谐振器7的短路端加载有第四变容二极管11，所述第一变容二极管8、第二变容二极管9、第三变容二极管10和第四变容二极管11均采用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9.24～1.77pF之间非线性递减。

所述金属通孔有四个，分别为第一金属通孔12、第二金属通孔13、第三金属通孔14和第四金属通孔15，所述第一金属通孔12与第二金属通孔13左右对称，所述第三金属通孔14与第四金属通孔15左右对称；所述第一金属通孔12通过第一变容二极管8与第一谐振器4相连，所述第二金属通孔13通过第二变容二极管9与第二谐振器5相连，所述第三金属通孔14通过第三变容二极管10与第三谐振器6相连，所述第四金属通孔15通过第四变容二极管11与第四谐振器7相连。

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，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，所述第一直流电压源Bias1用于为第一谐振器4和第二谐振器5所加载的变容二极管(第一变容二极管8和第二变容二极管9)提供反向偏置电压，所述第二直流电压源Bias2用于为第三谐振器6和第四谐振器7所加载的变容二极管(第三变容二极管10和第四变容二极管11)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之间均串接有一个高频扼流圈L_choke，这个高频扼流圈L_choke是电感值为100nH的高Q值电感，可防止射频信号短路到直流电源的地。

所述主传输线3的左端设置有输入端口Port1，右端设置有输出端口Port2；所述第一谐振器4、第三谐振器6和输入端口Port1分别与第二谐振器5、第四谐振器7和输出端口Port2左右对称，主传输线3从两组谐振器之间馈电；两组谐振器与主传输线3之间的间距都是相同的。

所述第一谐振器4和第二谐振器5产生低频段第一阻带，第一谐振器4和第二谐振器5的电长度θ₁大致选为第一阻带中心频率f₀₁下的四分之一波长(λ)，和输入端口Port1、输出端口Port2之间通过平行耦合线馈电；所述第三谐振器6和第四谐振器7产生高频段第二阻带，第三谐振器6和第四谐振器7的电长度θ₂大致选为频率f₀₂下的四分之一波长(λ)，和输入端口Port1、输出端口Port2之间同样通过平行耦合线馈电；所有平行耦合线均具有相同的间距；由于主传输线3位于两组谐振器之间，因此第一阻带和第二阻带可以视为不存在耦合，通过第一直流电压源Bias1和第二直流电压源Bias2可以分别对第一阻带和第二阻带的中心频率进行独立调谐。

实现恒定绝对带宽的理论条件是：

Q_e∝f₀，k_i，j∝1/f₀       (1)

其中，Q_e是外部品质因数，k_i，j是耦合系数，f₀为阻带中心频率；对于带阻滤波器而言，k_i，j指的是谐振器和主传输线之间的耦合强度；如图2所示，从等效电路可以得知影响带阻滤波器带宽的主要因素就是J变换器(导纳倒置变换器)的值(J₀₁)，谐振器的短路端和主传输线之间的耦合区域是有效的耦合长度，磁耦合占优，加载的变容二极管(C_v)可以等效为一段微带线；当变容二极管的电容值变小时，阻带频率升高，等效的磁耦合长度变小，总的耦合强度变小。这满足了(1)所述：耦合强度和中心频率成反比，实现了恒定的绝对带宽。

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四分之一波长短路谐振器，实现了两个阻带中心频率独立可重构，且绝对带宽保持相对恒定，带外传输性能良好。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恒定绝对带宽可重构双频段带阻滤波器，在图1结构的基础上，根据式(1)调节合适的耦合系数k_i，j实现恒定绝对带宽的要求，调节变容二极管的电容值改变阻带频率和等效磁耦合强度，使总的耦合强度变化趋势满足理论条件。本实施例的电路和电磁仿真软件为Agilent Advanced Design System(ADS)。恒定绝对带宽可重构双频段带阻滤波器选择加工在介电常数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。

      

表1 可重构双频段带阻滤波器尺寸

本实施例通过Agilent 5230网络分析仪测量，仿真和测试结果对比如图3和图4所示(图中虚线表示仿真结果，实线表示测量结果，S₂₁是输入端口到输出端口的正向传输系数Transmission，S₁₁是输入端口的回波损耗Return Loss)，测量两个频带中心频率可调范围分别为1.27-1.57GHz和1.98-2.34GHz，相对可调范围为23.6％和18.1％。频率调谐过程中阻带带宽基本保持不变；第一阻带3-dB绝对带宽为40±3MHz，第二阻带3-dB绝对带宽为67±3MHz；两个阻带之间的隔离度良好，传输插损在0.4dB以下；第一阻带实际衰减在10.2dB到13.9之间，第二阻带实际衰减在11.1到14.3dB之间；从图3和图4来看，仿真和测量结果吻合程度较高，由于加工的误差的存在和实际损耗更大一些，因此带宽存在少许误差。

综上所述，本发明提出的绝对带宽相对恒定的可重构双频段带阻滤波器，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，两个阻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 (10)

1.一种可重构双频段带阻滤波器，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主传输线、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述主传输线弯曲折叠成左右两边对称、中部向下凹的结构，所述第一谐振器和第二谐振器在弯曲折叠后，分别设置在主传输线的左下方和右下方，并通过主传输线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，设置在主传输线中部向下凹的位置上，并通过主传输线耦合形成另一组谐振器；两组谐振器和主传输线使微带线结构整体呈“凹”字型结构；每个谐振器的短路端都加载有一个变容二极管。

2.根据权利要求1所述的一种可重构双频段带阻滤波器，其特征在于：所述主传输线的左端设置有输入端口，右端设置有输出端口；所述第一谐振器、第三谐振器和输入端口分别与第二谐振器、第四谐振器和输出端口左右对称。

3.根据权利要求1所述的一种可重构双频段带阻滤波器，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。

4.根据权利要求3所述的一种可重构双频段带阻滤波器，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。

5.根据权利要求4所述的一种可重构双频段带阻滤波器，其特征在于：所述高频扼流圈的电感值为100nH。

6.根据权利要求1所述的一种可重构双频段带阻滤波器，其特征在于：所述第一谐振器加载的变容二极管为第一变容二极管，所述第二谐振器加载的变容二极管为第二变容二极管，所述第三谐振器加载的变容二极管为第三变容二极管，所述第四谐振器加载的变容二极管为第四变容二极管；所述金属通孔有四个，分别为第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔和第四金属通孔，所述第一金属通孔与第二金属通孔左右对称，所述第三金属通孔与第四金属通孔左右对称；所述第一金属通孔通过第一变容二极管与第一谐振器相连，所述第二金属通孔通过第二变容二极管与第二谐振器相连，所述第三金属通孔通过第三变容二极管与第三谐振器相连，所述第四金属通孔通过第四变容二极管与第四谐振器相连。

7.根据权利要求6所述的一种可重构双频段带阻滤波器，其特征在于：所述第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管和第四变容二极管均采用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9.24～1.77pF之间非线性递减。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种可重构双频段带阻滤波器，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。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种可重构双频段带阻滤波器，其特征在于：所述第三谐振器和第四谐振器在弯曲折叠后均形成开口环结构。

10.根据权利要求1-7任一项所述的一种可重构双频段带阻滤波器，其特征在于：两组谐振器与主传输线之间的间距都是相同的。