CN105140605A - 一种基于slr结构的频率和带宽全可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，通过调谐变容二极管，实现了对频率、带宽的宽范围调谐，解决了可调过程中插损大、绝对带宽改变、滤波特性不稳定的问题。包括上层的微带结构、中间层介质基板和下层的接地板；微带结构由输入微带线、输入匹配调谐网络、谐振器、输出匹配调谐网络、输出微带线顺次连接而成；谐振器由二分之一波长微带线加载T型开路枝节组成，二分之一波长微带线两端和T型开路枝节两端分别设有一组变容二极管，输入输出微带线与谐振器间设有一组变容二极管和一组隔直电容，在变容二极管位置设有偏置电路，偏置电路连接外部直流电源。本发明采用微带结构，设计紧凑，加工简单，成本低廉，易于集成。

Description

一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器

技术领域

本发明属于微波可调滤波器技术领域，尤其涉及一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器。

背景技术

随着无线通信的日益发展，各种现代通信系统快速发展。然而，无线通信和超宽带技术的迅速发展需要很宽的频带，这使得频谱越来越拥挤。为了充分利用有限频谱资源，一定的频带宽度内必须存在多种应用，满足微波电路系统对多波段多信道选频的需求。因此跳频、扩频、动态频率分配等技术得到发展，而可调滤波器作为这些技术的重要器件受到了高度重视。根据研究报道，可调滤波器的结构主要有微带、悬置线、介质谐振器、基片集成波导(SIW)等形式。可调的实现方式主要有变容二极管、PIN二极管、RFMEMS技术等。根据调谐的方式可分为：1、机械调谐；2、电调谐；3、声光调谐。根据调谐内容可以分为：1、中心频率可调滤波器；2、带宽可调滤波器；3、中心频率和带宽同时可调滤波器。

目前，国内外对可调滤波器进行了一系列研究工作，并取得了一些成果。但是，报道出来的滤波器普遍面临着以下一些缺陷：

(1)可调滤波器由于一般通过控制多阶谐振器间的耦合，对带宽进行调谐，使得带宽调谐范围很小，不能满足实际应用中对带宽调谐范围的要求。

(2)可调滤波器由于一般采用多阶谐振器结构，并且使用耦合输入输出方式等，使得滤波器的插入损耗较大。

(3)在中心频率调谐过程中通带的绝对带宽发生变化，不能满足实际应用中频率电调时绝对带宽保持恒定的要求。

(4)对中心频率或者带宽进行调谐过程中，不能保持稳定的滤波性能，主要表现在回波损耗和插入损耗时大时小，通带纹波不均匀等方面，影响了系统整体响应的稳定性。

现有的可调带通滤波器存在可调过程中插损大、绝对带宽改变、滤波特性不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，旨在解决现有的可调带通滤波器存在可调过程中插损大、绝对带宽改变、滤波特性不稳定的问题。

本发明是这样实现的，一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，所述基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器设置有由输入微带线、输入匹配调谐网络、谐振器、输出匹配调谐网络、输出微带线依次连接组成的上层微带结构；

所述微带谐振器、输入微带线、输出微带线印制在带通滤波器中间层的介质基板上。

进一步，所述输入微带线和输出微带线均为50Ω微带线；

所述谐振器由二分之一波长微带线加载T型开路枝节，其中二分之一波长微带线两端分别加载第一变容二极管和第二变容二极管；T型开路枝节的水平微带线的两端分别加载第三变容二极管和第四变容二极管；

所述输入微带线和谐振器之间设置输入匹配调谐网络，输入匹配调谐网络是由第一变容二极管和第五变容二极管组成；

所述谐振器和输出微带线之间设置输出匹配调谐网络，输出匹配调谐网络是由第二变容二极管和第六变容二极管组成。

进一步，所述第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第五变容二极管和第六变容二极管均设置偏置电路。

进一步，所述输入微带线与谐振器之间分别加载第一隔直电容和第五变容二极管；所述谐振器与输出微带线之间分别加载第六变容二极管和第二隔直电容，第五变容二极管和第一隔直电容，第六变容二极管和第二隔直电容通过边长为0.7mm的方形微带贴片级联而成。

进一步，所述谐振器的二分之一波长微带线和T型开路枝节进行一定的弯折，以减小尺寸，整体呈轴对称结构。

本发明的另一目的在于提供一种移动终端，其特征在于，使用所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器。

本发明的另一目的在于提供一种卫星通信系统，使用所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器。

本发明提供的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，上层采用微带结构；采用使T型开路枝节两端的变容二极管对称放置方式，共用接地孔和偏置电路，减少直流控制电路，使其控制简单；谐振器与输入输出线间的恒值电容起隔直的作用；谐振器的二分之一波长微带线和T型枝节进行合适的弯折，减小了尺寸，整体呈对称结构；实现了频率和带宽的全可调，在较宽范围的频率可调过程中绝对带宽保持恒定，在较宽范围的带宽可调过程中中心频率保持恒定，保证频率可调过程中滤波特性稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明采用微带结构，设计紧凑，加工简单，成本低廉，易于集成。

2.本发明在带宽调谐过程中，中心频率保持不变，绝对带宽调节范围为120MHz-430MHz，实现了宽范围带宽可调。

3.本发明电调滤波器在比较宽的中心频率调谐范围内，滤波器特性非常稳定，插入损耗保持在0.9dB左右，回波损耗保持在23dB左右。

4.本发明是电调滤波器在比较宽的中心频率调谐范围内，绝对带宽仍可基本保持恒定，满足我们对于绝对带宽不变的要求。

5.本发明采用在谐振器与输入输出端之间加载输入输出匹配调谐网络，方便灵活的调谐馈电网络与谐振器间的阻抗匹配，提供可调谐的外部Q值，满足频率、带宽可调时对匹配的要求。

6.能根据实际需求进行自适应改进，通过改变谐振器长度、变容二极管的型号来调节谐振工作频段，满足不同频段通信标准的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的原理结构示意图。

图2是本发明实施例提供的匹配调谐网络示意图。

图3是本发明实施例提供的匹配调谐网络等效电路示意图。

图4是本发明实施例提供的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器结构示意图；

图中：1、金属地板，2、介质基板，3、谐振器，4、输入微带线，5、输出微带线，6、第一变容二极管，7、第二变容二极管，8、第三变容二极管，9、第四变容二极管，10、第五变容二极管，11、第六变容二极管，12、第一隔直电容，13、第二隔直电容，14、第一直流偏置电路，15、第二直流偏置电路，16、第三直流偏置电路，17、第四直流偏置电路，18、第五直流偏置电路，19、第一接地孔，20、第二接地孔，21、第三接地孔。

图5是本发明实施例提供的图4的侧视图。

图6是本发明实施例提供的整体结构尺寸示意图。

图7是本发明实施例提供的频率调谐过程中插入损耗的仿真与实测曲线图；

图中，S₂₁是插入损耗的仿真与实测结果。

图8是本发明实施例提供的频率调谐过程中回波损耗的仿真与实测曲线图；

图中，S₁₁是回波损耗的仿真与实测结果。

图9是本发明实施例提供的带宽调谐过程中S参数的仿真曲线图；

图中，S₁₁是回波损耗的仿真结果；S₂₁是插入损耗的仿真结果。

图10是本发明实施例提供的带宽调谐过程中S参数的仿真曲线图；

图中，S₁₁是回波损耗的实测结果；S₂₁是插入损耗的实测结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明的谐振器是二分之一波长微带线加载T型开路支节。Y₁，L₁表示二分之一波长微带线的导纳和物理长度，两端加载变容二极管C_v1；Y₂，L₂表示加载的T型支节纵向微带线的导纳和物理长度；Y₃，L₃表示加载的T型支节横向微带线的导纳和物理长度，两端加载变容二极管C_v2。该谐振器呈轴对称结构，进行奇偶模分析，可得奇偶模导纳分别为：

$Y_{in\_odd}=j\[{\mathrm{\ω}}_{odd}{C}_{v1}-Y_1\cot \left(\frac{{\mathrm{\βL}}_1}{2}\right)\]---\left(1\right)$

$Y_{in\_even}=j\[{\mathrm{\ω}}_{even}{C}_{v1}+Y_1\frac{Y_r+Y_{s}tan\left(\frac{{\mathrm{\βL}}_1}{2}\right)}{Y_s-Y_r\tan \left(\frac{{\mathrm{\βL}}_1}{2}\right)}\]---\left(2\right)$

Y_{in_odd}，Y_{in_even}分别表示奇偶模导纳，其中：

$Y_r=Y_2{Y}_3\[{\mathrm{\ω}}_{even}{C}_{v2}+Y_3\tan \left({\mathrm{\βL}}_3\right)\]+\frac{{Y_2}^2}{2}\tan \left({\mathrm{\βL}}_2\right)\[Y_3-{\mathrm{\ω}}_{even}{C}_{v2}\tan \left({\mathrm{\βL}}_3\right)\]---\left(3\right)$

Y_s＝Y₁tan(βL₁){Y₂[Y₃-ω_eventan(βL₃)]-2Y₃tan(βL₂)[ωC_v2+Y₃tan(βL₃)]}(4)

根据谐振条件，可将奇偶模谐振频率表示为：

$f_{odd}\×tan\left(\frac{2{\mathrm{\πf}}_{odd}{L}_1}{v_p}\right)=\frac{Y}{2{{\mathrm{\πC}}_{v1}}^{\′}}---\left(5\right)$

$f_{even}=\frac{Y_1}{2{{\mathrm{\πC}}_{v1}}^{\′}}\·\frac{Y_r+Y_{s}tan\left(\frac{2{\mathrm{\πf}}_{even}{L}_1}{v_p}\right)}{Y_s-Y_{r}tan\left(\frac{2{\mathrm{\πf}}_{even}{L}_1}{v_p}\right)}---\left(6\right)$

由公式(5)(6)可以得出，f_odd取决于C_v1的变化，f_even取决于C_v1和C_v2的变化，即调谐C_v1可以同时引起频率和带宽的变化。如果固定C_v1，那么f_odd也将固定，f_even的调谐仅依靠于C_v2。这个特性被应用于实现对带宽的调谐。

$Q_e=\frac{f_0}{BW\sqrt{g_0{g}_1}}---\left(7\right)$

$\left|\frac{B^{\′}}{\sqrt{Y_1{Y}_2}}\right|=(J_{01}/\sqrt{Y_1{Y}_2})/\sqrt{\left(1-{\left(\frac{J_{01}}{Y_1}\right)}^2\right)\left(1-{\left(\frac{J_{01}}{Y_2}\right)}^2\right)}---\left(8\right)$

θ₁＝-tan^-1[(2Y₂/B')/(Y₁/Y₂-Y₂/Y₁-Y₁Y₂/B'²)](9)

θ₂＝-tan^-1[(2Y₁/B')/(Y₂/Y₁-Y₁/Y₂-Y₁Y₂/B'²)](10)

B'＝(B-1/X)(11)

Q_e＝b/(J₀₁ ²/Y₀)(12)

其中，b是谐振器的斜率参数。

由(7)可得：为了达到恒定的绝对带宽，外部品质因数要随着中心频率的增大而增大。如图2所示，输入输出微带线与谐振器间的输入输出匹配调谐网络是通过变容二极管C_v1、C_e来实现的，其等效电路图如图3所示，变容二极管C_e等效为导纳为Y₁、电长度为θ₁的一段微带线串联一个可变电纳jB，变容二极管C_v1等效为一个可变电抗jX并联一段导纳为Y₂、电长度为θ₂的微带线；可变电纳jB和可变电抗jX组成可变电纳jB'，根据公式(8)(12)可以得出，变化的jB'对应变化的J₀₁，从而得到变化的Q_e，以满足调谐过程中对外部品质因数的需要。结合公式(9)(10)可以得出θ₁和θ₂的取值，而电长度为θ₁和θ₂的两段微带线分别被输入输出微带线和谐振器所吸收。当谐振器的频率调谐范围确定后，就可以选择合适的电容值，这种可调谐网络会实现给定的带宽所要求的外部品质因数Q_e。

如图4所示，本发明实施例是一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，该频率和带宽全可调带通滤波器包括上层的微带结构、中间层介质基板和下层的接地板；上层的微带结构由输入微带线、输入匹配调谐网络、谐振器、输出匹配调谐网络、输出微带线顺次连接而成，具体由金属地板1，介质基板2，谐振器3，输入微带线4，输出微带线5，第一变容二极管6，第二变容二极管7，第三变容二极管8，第四变容二极管9，第五变容二极管10，第六变容二极管11，第一隔直电容12，第二隔直电容13，第一直流偏置电路14，第二直流偏置电路15，第三直流偏置电路16，第四直流偏置电路17，第五直流偏置电路18，第一接地孔19，第二接地孔20，第三接地孔21组成。输入微带线4和输出微带线5均为50Ω微带线；谐振器3由二分之一波长微带线加载T型开路枝节，其中二分之一波长微带线两端分别加载第一变容二极管6和第二变容二极管7，T型开路枝节的水平微带线的两端分别加载第三变容二极管8和第四变容二极管9；输入微带线4和谐振器3之间设置输入匹配调谐网络，输入匹配调谐网络是由第一变容二极管6和第五变容二极管10组成；谐振器3和输出微带线5之间设置输出匹配调谐网络，输出匹配调谐网络是由第二变容二极管7和第六变容二极管11组成。上述变容二极管处均设置偏置电路，第一变容二极管6处设置第一偏置电路14，第二变容二极管7处设置第二偏置电路15，第三变容二极管8和第四变容二极管9处设置第三偏置电路16，第五变容二极管10处设置第四偏置电路16，第六变容二极管11处设置第五偏置电路17，外接电压通过大电阻供电给变容二极管，变容二极管的空置端穿过中间层介质基板连接下层接地板，电阻值为10KΩ，偏置电路连接外部直流电源；

金属地板1设置在介质基板2的底面，谐振器3、输入微带线4，输出微带线5、第一偏置电路14，第二偏置电路15，第三偏置电路16，第四偏置电路17，第五偏置电路18均印制在介质基板上，侧视图参见图5。

变容二极管共有三组，每组至少有两个。加载在二分之一波长微带线的两端的第一变容二极管6和第二变容二极管7为C_v1，分别通过第一接地孔19和第二接地孔接地20，加载在T型开路枝节的两端的第三变容二极管8和第四变容二极管9为C_v2，通过第三接地孔21接地，加载在谐振器3与第一隔直电容12之间的第五变容二极管10和加载在谐振器3与第二隔直电容13之间的第六变容二极管11为C_e。

变容二极管C_v1和C_e选用的SMV1405-074LF，C_v2选用的SMV1405-079LF。电容的变化范围均为0.63-2.67pF。电压V₁和V₂分别控制变容二极管C_v1和C_v2的调谐，电压V₃用于变容二极管C_e的调谐。同步改变两个变容二极管C_v2的电容大小，相当于改变双模谐振器的偶模谐振频率，实现对带宽的调谐；同时改变两组变容二极管C_v1和C_v2的容值大小，实现对频率的可调；在整个调谐过程中，适当调谐变容二极管C_e的大小，实现输入输出馈电网络与谐振器的匹配，提供合适的外部品质因数Q_e，保证频率可调时带宽恒定不变、滤波特性稳定。

本发明实例中用的介质板材料为RT/duroid5880，相对介电常数为2.2，介质板厚度为0.787mm，覆铜厚度为0.018mm，损耗角正切为0.0009。如图6所示，其中L₁＝3.7mm，L₂＝5.5mm，L₃＝16.8mm，L₄＝2.4mm，L₅＝7mm，L₆＝10mm，L₇＝3.25mm，W₀＝2.4mm，W₁＝0.8mm，W₂＝1.5mm，W₃＝1.5mm。耦合器总面积尺寸为0.09×0.20(λ_g×λ_g)，明显小于已有可调滤波器。

通过下面的仿真实验对本发明的应用效果作详细的说明。

对本发明实施实例的S参数进行仿真和测量，采用三维电磁仿真软件HFSS13.0和ADS的联合仿真，测试仪器为N5230A矢量网络分析仪。图7是频率可调时插入损耗(S₂₁)的仿真与实测结果，图8是频率可调时回波损耗(S₁₁)的仿真与实测结果；由仿真与实测结果图7、8可见，本发明的工作中心频率范围为1.3-1.6GHz，工作带宽保持290MHz不变，回波损耗稳定于23dB左右(S₁₁)，仿真与实测的插入损耗工作频率范围内都稳定于0.9dB左右(S₂₁)，在工作频段内，实现了可调滤波器的滤波性能保持稳定的目标。图9是带宽可调时插入损耗(S₂₁)的仿真结果，图10是带宽可调时回波损耗(S₁₁)的实测结果；由仿真与实测结果图9、10可见，本发明的工作带宽可调范围为120-430MHz，工作中心品保持1.3GHz不变，回波损耗优于20dB(S₁₁)，仿真与实测的插入损耗在工作可调过程中在0.5-1.7dB之间(S₂₁)。而且仿真与实测结果吻合地非常好，充分说明了本发明设计的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，其特征在于，所述基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器设置有由输入微带线、输入匹配调谐网络、谐振器、输出匹配调谐网络、输出微带线依次连接组成的上层微带结构；

通过输入微带线和输出微带线馈电给谐振器，输入匹配调谐网络和输出输入匹配调谐网络实现与谐振器的匹配，满足所需的外部Q值，在可调过程中保证绝对带宽不变、滤波特性稳定；输入匹配调谐网络和输出输入匹配调谐网络由变容二极管组成，分别连接输入输出微带线与谐振器；

所述微带谐振器、输入微带线、输出微带线印制在带通滤波器中间层的介质基板上。

2.如权利要求1所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，其特征在于，所述输入微带线和输出微带线均为50Ω微带线；

所述谐振器由二分之一波长微带线加载T型开路枝节，其中二分之一波长微带线两端分别加载第一变容二极管和第二变容二极管；T型开路枝节的水平微带线的两端分别加载第三变容二极管和第四变容二极管；

所述输入微带线和谐振器之间设置输入匹配调谐网络，输入匹配调谐网络是由第一变容二极管和第五变容二极管组成；

所述谐振器和输出微带线之间设置输出匹配调谐网络，输出匹配调谐网络是由第二变容二极管和第六变容二极管组成。

3.如权利要求2所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，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、第四变容二极管、第五变容二极管和第六变容二极管均设置偏置电路。

4.如权利要求1或2所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，其特征在于，所述输入微带线与谐振器之间分别加载第一隔直电容和第五变容二极管；所述谐振器与输出微带线之间分别加载第六变容二极管和第二隔直电容；五变容二极管和第一隔直电容，第六变容二极管和第二隔直电容通过边长为0.7mm的方形微带贴片级联而成。

5.如权利要求2所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，其特征在于，所述谐振器的二分之一波长微带线和T型开路枝节进行一定的弯折，以减小尺寸，整体呈轴对称结构。

6.一种移动终端，其特征在于，使用权利要求1-5任意一项所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器。

7.一种卫星通信系统，其特征在于，使用权利要求1-5任意一项所述的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器。