CN104900950B - 基于双层谐振器的电调四通带滤波器 - Google Patents
基于双层谐振器的电调四通带滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双层谐振器的电调四通带滤波器，主要解决传统电调滤波器通带数量少、可调通带带宽不恒定，带外抑制度差和体积大的问题。其包括设置在上微带介质基板(7)上的一对平行耦合馈线(1)和一对可调阶梯阻抗谐振器(2，3)、设置在下微带介质基板(8)上的枝节加载谐振器(4)及两个直流偏置电路(5，6)；两个直流偏置电路(5，6)分别连接在可调阶梯阻抗谐振器(2)和(3)的两端，分别实现第三通带和第四通带的连续可调；枝节加载谐振器(4)实现对第一通带和第二通带的固定。本发明尺寸小、带外抑制度高、能实现四通带，且在带宽基本保持不变的情况下实现第三通带和第四通带的连续可调，可用于无线通信系统。
Description
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，特别涉及微带电调四通带滤波器，可用于无线通信系统射频前端。
背景技术
现代通信技术的飞速发展，导致频谱资源拥挤的矛盾日益突出。为了高效利用有限的频谱资源，通常要求射频前端如滤波器等具有快速调谐的特点。电调滤波器通过控制直流偏压来改变变容二极管的容值，从而改变谐振频率，实现在不同的工作频率的快速切换。此外，无线通信系统为了在多个频段实现不同的业务需求，需要采用滤波器来选择带内工作信号且抑制带外干扰信号。如果将滤波器设计成多频段形式，可以大大降低系统的体积、成本及功耗，增强其可靠性，实现系统的小型化和集成化。目前的电调滤波器主要集中在单通带和双通带领域，三通带乃至四通带的电调滤波器由于结构复杂，实现起来较为困难。
2009年1月E.E.Djoumessi等人在IET Microwave AntennasPropagation期刊(Vol.3,no.1,pp.117–124,2009)上发表了“Varactor-tuned quarter-wavelength dual-bandpass filter”，提出一种电调双通带微带滤波器，该滤波器能实现两个通带的连续电调，但该结构很难扩展到更多通带；2009年Ko-Wen Hsu等人在Microwave symposiumDigest会议(pp.1041-1044，2009.)上发表了“Design of a Novel Four-Band MicrostripBandpass Filters using Double Layered substrate”，提出了一种基于双层结构的四通带微带滤波器，该滤波器能够实现四个通带，但是不能实现频率的快速可调。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于双层谐振器的电调四通带滤波器，以在保持带宽基本不变的情况下，减小四通带滤波器的插入损耗和体积，实现多个通带的独立连续可调。
为实现上述目的，本发明基于双层谐振器的电调四通带滤波器，包括一对平行耦合馈线、一对分别用于产生第四通带和第三通带的可调阶梯阻抗谐振器，一对用于产生第一通带和第二通带的枝节加载谐振器、两个直流偏置电路，两层微带介质基板和金属接地板；该对可调阶梯阻抗谐振器位于上层介质基板的上面，一对平行耦合馈线同时对所述的三个谐振器进行馈电，并通过馈线之间存在的缝隙电容耦合，产生多个带外传输零点，其特征在于：
一对可调阶梯阻抗谐振器均由两个沿AA’对称的开口谐振环组成，每个开口谐振环在内侧中部断开并加载变容二极管；
第一直流偏置电路连接在第一可调阶梯阻抗谐振器的一对开口谐振环的两端，通过改变该偏置电路的电压值实现对第四通带的连续可调；
第二直流偏置电路连接在第二可调阶梯阻抗谐振器的一对开口谐振环的两端，通过改变该偏置电路的电压值实现对第三通带的连续可调；
枝节加载谐振器位于第一微带介质基板与第二微带介质基板之间，其由两个沿BB’对称的枝节加载谐振环组成，且枝节加载部分开有布设传输线的线槽，通过改变传输线的长短调控两个枝节加载谐振环之间的耦合，实现对第一通带和第二通带频率的固定。
本发明具有以下技术优点：
1.本发明由于上层采用两对独立的可调阶梯阻抗谐振器和直流偏置电路，可以实现第三和第四通带的独立连续调谐。
2.本发明由于下层采用一对枝节加载阶梯阻抗谐振器与上层公共馈线进行外部耦合，可以减小四通带滤波器的体积，实现具有宽阻带特性的第一和第二通带。
3.本发明由于在下层阶梯阻抗谐振器枝节加载部分开槽增加了一段传输线，能够自由调节第一和第二通带的内部耦合强度。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为图1中的第一微带介质基板的正面结构示意图；
图3为图1中的第二微带介质基板的正面结构示意图；
图4为本发明实施例的传输响应曲线图；
图5为本发明实施例的反射响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
参照图1，本发明包括第一微带介质基板7，一对平行耦合馈线1，第一可调阶梯阻抗谐振器2，第二可调阶梯阻抗谐振器3，第一直流偏置电路5，第二直流偏置电路6，第二微带介质基板8，枝节加载谐振器4，传输线10和金属接地板9。其中：
所述第一微带介质基板7上设置一对平行耦合馈线1，第一可调阶梯阻抗谐振器2，第二可调阶梯阻抗谐振器3，且一对平行耦合馈线1水平位于第一微带介质基板7的中间，第一可调阶梯阻抗谐振器2和第二可调阶梯阻抗谐振器3分别位于一对平行耦合馈线1的两侧。该第一可调阶梯阻抗谐振器2用于产生第四通带，其由一对沿AA’，即水平对称的上开口谐振环21和22组成，每个开口谐振环在内侧中部断开并加载有第一变容二极管C1；该第二可调阶梯阻抗谐振器3用于产生第三通带，其由一对沿AA’对称的下开口谐振环31和32组成，每个开口谐振环在内侧中部断开并加载第二变容二极管C2。
所述第一直流偏置电路5由0-15V可调直流电压源DC1和50nH扼流贴片电感L1组成，0-15V可调直流电压源DC1和50nH扼流贴片电感L1分别连接在第一可调阶梯阻抗谐振器的一对上开口谐振环21和22的两端，通过改变该偏置电路的电压值实现对第四通带的连续可调。
所述第二直流偏置电路6由0-15V可调直流电压源DC2和50nH扼流贴片电感L2组成，0-15V可调直流电压源DC2和50nH扼流贴片电感L2分别连接在第二可调阶梯阻抗谐振器的一对下开口谐振环31和32两端，通过改变该偏置电路的电压值实现对第三通带的连续可调。
所述第二微带介质基板8的上表面设有枝节加载谐振器4，用于产生第一通带和第二通带，该枝节加载谐振器4由两个沿BB’，即水平对称的枝节加载谐振环组成，每个枝节加载谐振环包括谐振环部分41和枝节加载部分42，且枝节加载部分42开有布线槽，传输线10设在该布线槽内，通过改变传输线10的长短调控两个枝节加载谐振环之间的耦合，实现对第一通带和第二通带频率的固定。
金属接地板9位于第二微带介质基板8的下表面。
参照图2，所述第一可调阶梯阻抗谐振器2的每个谐振环的高阻抗部分长度为L1，低阻抗部分的长度为L2，对应第四通带最高谐振频率为：其中，c为真空中的光速，εe为微带介质基板7和8的有效介电常数。本实例中f4＝9.62GHz，可调阶梯阻抗谐振器2的每个谐振环的高阻抗部分宽度w1为0.3mm，低阻抗部分的宽度w2为0.5mm。
所述第二可调阶梯阻抗谐振器3的每个谐振环的高阻抗部分长度为L3，低阻抗部分长度为L4，对应第三通带最高谐振频率本实例中第三通带最高谐振频率f3＝7.41GHz，第二可调阶梯阻抗谐振器3的每个谐振环的高阻抗部分宽度w3为0.3mm，低阻抗部分宽度w4为0.5mm。
上述谐振环参数仅用于说明本实例的实现，而不构成本发明的任何限制。谐振环参数的变化会引起第三通带谐振频率和第四通带谐振频率的变化，即第三通带谐振频率f3随第二可调阶梯阻抗谐振器3的谐振环的高阻抗部分长度L3和低阻抗部分长度L4的变化而变化；第四通带谐振频率f4随第一可调阶梯阻抗谐振器2的谐振环的高阻抗部分的长度L1和低阻抗部分的长度L2的变化而变化。
参照图3，所述枝节加载谐振器4的每个谐振环部分的总长度为2L5，对应的第二通带的二分之一波导波长为λg2/2＝2L5，则第二通带谐振频率为：每个谐振环的枝节加载部分的长度为L6，则枝节加载谐振环总长度对应的第一通带的二分之一波导波长为：λg1/2＝2L5+L6，该枝节加载谐振环总长度对应的第一通带谐振频率为：其中，λg1和λg2分别为第一通带和第二通带的波导波长，c为真空中的光速，εe为微带介质基板7和8的有效介电常数；本实例中第二通带的二分之一波导波长λg2/2＝28.2mm，第二通带谐振频率f2＝5.1GHz，枝节加载谐振环总长度对应的第一通带的二分之一波导波长λg1/2＝27.55mm，第一通带谐振频率f1＝3.7GHz，枝节加载谐振器4的谐振环部分41的宽度w6＝0.2mm，枝节加载部分42的宽度w7＝3.5mm；传输线10的宽度w8＝0.2mm。
上述枝节加载谐振环参数仅用于说明本实例的实现，而不构成本发明的任何限制。枝节加载谐振环参数的变化会引起第一通带谐振频率和第二通带谐振频率的变化，即第一通带谐振频率f1随枝节加载谐振器4的枝节加载部分42的长度L6和谐振环部分41的总长度2L5的变化而变化；第二通带谐振频率f2随枝节加载谐振器4的谐振环部分41的总长度2L5的变化而变化。
所述一对平行耦合馈线1由50欧姆传输线和高阻抗耦合馈线级联而成，该50欧姆传输线用于端口匹配和焊接。
所述两层微带介质基板7和8，均选用介电常数为2.2、厚度均为0.508mm的介质板；
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：
实验1，在三维电磁仿真软件IE3D中，设置频率范围为0～10.5GHz，得到本发明的传输响应曲线如图4，由图4可以看出，本发明的第三通带中心频率f3可由7.41GHz变化到6.80GHz，实现了0.61GHz的频率变化范围，且在调谐过程中带宽基本保持不变；而该滤波器的第四通带中心频率f4可由9.62GHz变化到8.94GHz，实现了0.68GHz的频率变化范围，且在调谐过程中带宽基本保持不变。
实验2，在三维电磁仿真软件IE3D中，设置频率范围为0～10.5GHz，得到本发明的反射响应曲线如图5。由图5可以看出，本发明具有较好的带外抑制，且在各谐振频率处具有较低的反射响应，均小于-15dB。
综上，本发明具有较好的带外抑制，并且第三通带和四通带中心频率的可调范围较宽且带宽基本保持不变。
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 (6)
1.一种基于双层谐振器的电调四通带滤波器，包括一对平行耦合馈线(1)、一对分别用于产生第四通带和第三通带的可调阶梯阻抗谐振器(2)和(3)，用于产生第一通带和第二通带的枝节加载谐振器(4)、两个直流偏置电路(5，6)，两层微带介质基板(7，8)和金属接地板(9)；该对可调阶梯阻抗谐振器(2，3)位于上层介质基板(7)的上面，一对平行耦合馈线(1)同时对所述的三个谐振器(2，3，4)进行馈电，并通过馈线之间存在的缝隙电容耦合，产生多个带外传输零点，其特征在于：
一对分别用于产生第四通带和第三通带的可调阶梯阻抗谐振器(2)和(3),均由两个沿上层介质基板(7)中线AA’对称的开口谐振环组成，每个开口谐振环在内侧中部断开并加载变容二极管；
第一直流偏置电路(5)连接在第一可调阶梯阻抗谐振器(2)的一对开口谐振环和的两端，通过改变该偏置电路的电压值实现对第四通带的连续可调；
第二直流偏置电路(6)连接在第二可调阶梯阻抗谐振器(3)的一对开口谐振环和的两端，通过改变该偏置电路的电压值实现对第三通带的连续可调；
枝节加载谐振器(4)位于第一微带介质基板(7)与第二微带介质基板(8)之间，其由两个沿下层介质基板(8)中线BB’对称的枝节加载谐振环组成，且枝节加载部分开有布设传输线(10)的线槽，通过改变传输线(10)的长短调控两个枝节加载谐振环之间的耦合，实现对第一通带和第二通带频率的固定。
2.根据权利要求1所述的基于双层谐振器的电调四通带滤波器，其特征在于：
上述第一可调阶梯阻抗谐振器(2)的每个谐振环的高阻抗部分宽度w1为0.3mm，低阻抗部分的宽度w2为0.5mm；每个谐振环的高阻抗部分长度为L1，低阻抗部分的长度为L2，对应第四通带最高谐振频率为：其中，c为真空中的光速，εe为微带介质基板7和8的有效介电常数,f4＝9.62GHz。
3.根据权利要求1所述的基于双层谐振器的电调四通带滤波器，其特征在于：
上述第二可调阶梯阻抗谐振器3的每个谐振环的高阻抗部分宽度w3为0.3mm，低阻抗部分宽度w4为0.5mm；每个谐振环的高阻抗部分长度为L3，低阻抗部分长度为L4，对应第三通带最高谐振频率
4.根据权利要求1所述的基于双层谐振器的电调四通带滤波器，其特征在于：
枝节加载谐振器(4)的枝节加载部分的宽度w7＝3.5mm谐振环部分的宽度w6＝0.2mm；
枝节加载谐振器(4)的枝节加载部分和谐振环部分的总长度(2L5+L6)与第一通带波导波长λg1之间的关系为：2L5+L6＝λg1/2，第一通带波导波长λg1与第一通带谐振频率f1之间的关系为：
枝节加载谐振器(4)的谐振环部分的长度L5与第二通带波导波长λg2之间的关系为：2L5＝λg2/2，该第二通带波导波长λg2与第二通带谐振频率f2之间的关系为：
其中，c为真空中的光速，εe为微带介质基板(7，8)的有效介电常数，L6为枝节加载谐振器(4)的枝节加载部分长度。
5.根据权利要求1所述的基于双层谐振器的电调四通带滤波器，其特征在于：
传输线(10)的宽度w8的宽度w8＝0.2mm。
6.根据权利要求1所述的基于双层谐振器的电调四通带滤波器，其特征在于，金属接地板(9)为在第二微带介质基板(8)下表面附有一层金属材料的矩形板。
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