CN105449323A - 一种频带独立可调的平面双频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频带独立可调的平面双频滤波器，包括：输入端口和输出端口，分别位于介质板的相对两端；两对对称耦合线和一对非对称耦合线均位于介质板的顶部。一条微带线枝节和一对耦合线的末端连接，用于实现双频性能。在另一对耦合线的末端及枝节的末端分别连接可调电容，用于实现滤波器两个频带独立可调的性能。介质板，为印刷电路的基板，用于承载整个电路。过孔用于电容与接地面之间的连接。本发明的频带独立可调的平面双频滤波器能在双频段内获得较宽的频带，较小的插入损耗，较大的回波损耗，达到双频频带独立可调的效果，具有良好的推广前景。

Description

一种频带独立可调的平面双频滤波器

技术领域

本发明涉及一种频带独立可调的平面双频滤波器，确切的说是滤波器的两个频带的带宽独立可调，属于微波传输器件的技术领域。

背景技术

滤波器是一个二端口网络，它通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性，用以控制微波系统中某处的频率响应。按照滤波器频率响应的形状来分类，可广泛的分为低通，带通，带阻，高通。微波滤波器实际上已经应用于任何类型的微波通信、雷达测试或测试系统中。

滤波器是射频前端的重要组成部分，可调滤波器已经成为多波段通信系统中最基本的微波组件之一。目前，不同的通信系统工作在不同的微波频段，这就要求单一的通信系统能够支持多个不同的通信标准，滤波器作为通信系统中重要的元件之一，必须能满足两种以上不同的通信标准的需求。现有技术中，大部分滤波器设计为宽带或双频带不可调滤波器。

因此有必要提供一种结构简单，插入损耗小，隔离效果好，频带单独可调的双频滤波器。

发明内容

本发明的目的是提供一种运用于双频系统的新型的频带单独可调滤波器，本发明的频带独立可调滤波器具有结构简单，插入损耗小，隔离效果好，频带单独可控等优点。

一种频带独立可调的平面双频滤波器，包括：介质板(15)和布设于介质板(15)上的频带独立可调双频滤波器电路；

介质板(15)为基板，正面设置频带独立可调双频滤波器电路，背面设置金属接地面(14)，介质板(15)设置第一过孔(17)和第二过孔(18)，第一过孔(17)连通第一电容(12)末端和金属接地面(14)，第二过孔(18)连通第二电容(13)末端和金属接地面(14)；

频带独立可调双频滤波器电路包括第一组耦合微带线(3)、第二组耦合微带线(4)、第一微带线(5)、第二微带线(6)、第三微带线(7)、第四微带线(8)、第五微带线(9)、第一电容(12)和第二电容(13)；

两条平行设置的宽度相同的微带线形成第一组耦合微带线(3)，另外两条平行设置的宽度相同的微带线形成第二组耦合微带线(4)，第一组耦合微带线(3)中两条平行设置的微带线的一端共同连接至第一顶端连接点(11)，另一端分别连接第二组耦合微带线(4)中两条平行设置的微带线的末端，第二组耦合微带线(4)中两条平行设置的微带线的另一端共同连接到第二顶端连接点(10)，第一微带线(5)和第二微带线(6)一端处于开路状态，另一端分别和第二组耦合微带线(4)的两个末端垂直连接；

两个微带线分别形成输入端口(1)和输出端口(2)，第三微带线(7)和输入端口(1)连接，第四微带线(8)和输出端口(2)连接，输入端口(1)和输出端口(2)水平延伸至介质板(15)的边缘，第三微带线(7)和第一微带线(5)平行，第四微带线(8)和第二微带线(6)平行；

第五微带线(9)的一端与第一组耦合微带线(3)的顶端连接，另一端与第二电容(13)连接，第二电容(13)的另一端和第二过孔(18)连接；第一电容(12)一端和第二组耦合微带线(4)的顶端连接，另一端和第一过孔(17)连接。

所述的第一顶端连接点(11)的宽度是第一组耦合微带线(3)中一个微带线宽度的1/2，长度与两条平行微带线之间的线间距相同。

所述的第二顶端连接点(10)的宽度是第二组微带耦合线(4)中一个微带线宽度的1/4，长度与两条平行微带线之间的线间距相同。

所述的第一组耦合微带线(3)和第二组耦合微带线(4)的长度分别为L₁＝17.3mm，L₂＝46.45mm，宽度分别为W₁＝1.64mm,W₂＝3.3mm，线间距分别为S₁＝0.3mm，S₂＝0.83mm；

第一顶端连接点(11)和第二顶端连接点(10)的宽度分别为D_1＝0.82mm，D₂＝0.83mm；连接到第一组微带耦合线(3)顶端的第五微带线(9)的长度为L₄＝50.6mm，宽度为W₄＝0.43mm；连接到第二组微带耦合线(4)末端的第一微带线(5)和第二微带线(6)的长度为L₀₁＝37.07mm，宽度为W₀₁＝1.5mm；

输入端口(1)和输出端口(2)的长度和宽度均为L₃＝3.6mm，W₃＝1.3mm；连接输入端口(1)和输出端口(2)的第三微带线(7)和第四微带线(8)的长度和宽度均为L₀₂＝35.07mm，W₀₂＝0.2mm；

第一过孔(17)和第二过孔(18)的半径R₀均为0.4mm；

第一可调电容(12)和第二可调电容(13)的长度和宽度均为L_c＝1.7mm,W_c＝0.9mm。

所述的频带独立可调双频滤波器的各参数满足以下等式：

Z₀Z_e1(ωC_bZ_e2+2tanθ₂)[2Z₃(1-ωC_aZ₃tanθ₃)-Z_e1tanθ₁(ωC_aZ₃+tanθ₃)]

+Z₀Z_e2(2-ωC_bZ_e2tanθ₂)[Z_e1(ωC_aZ₃+tanθ₃)+2Z₃tanθ₁(1-ωC_aZ₃tanθ₃)]

+Z_e1Z_e2tanθ₀(2-ωC_bZ_e2tanθ₂)[2Z₃(1-ωC_aZ₃tanθ₃)-Z_e1tanθ₁(ωC_aZ₃+tanθ₃)]＝0

Z_o1Z_o2tanθ₀tanθ₁tanθ₂-Z₀Z_o2tanθ₂-Z₀Z_o1tanθ₁＝0

其中，θ₀为第一微带线(5)和第二微带线(6)的电长度，Z₀为第一微带线(5)和第二微带线(6)的特性阻抗；θ₁为第一组耦合微带线(3)的电长度，Z_e1、Z_o1分别为第一组耦合微带线(3)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；θ₂为第二组耦合微带线(4)的电长度，Z_e2、Z_o2分别为第二组耦合微带线(4)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；θ₃为第五微带线(9)的电长度，Z₃为第五微带线(9)的特性阻抗，C_a为第二电容(13)的值，C_b为第一电容(12)的值，w是角频率。

本发明的优点在于：

(1)通过使用耦合微带线结构和枝节实现双频效应；

(2)通过使用可调电容，实现双频滤波器的两个频带独立可调；

(3)电路结构简单、对称、紧凑、实用；

(4)本发明的频带独立可调滤波器在双频段内获得较好的隔离效果、较小的插入损耗。

附图说明

图1显示了本发明实施例的频带独立可调滤波器的三维结构示意图；

图2显示了图1所示的频带独立可调滤波器的电路结构示意图；

图3(a)显示了双频滤波器在偶模激励下的等效电路图；

图3(b)显示了双频滤波器在奇模激励下的等效电路图；

图4(a)显示了电容13的值C_a对谐振频率的影响；

图4(b)显示了电容12的值C_b对谐振频率的影响；

图5(a)显示了本发明实施例的双频可调滤波器在C_b不变，改变C_a的值时，插入损耗S21和回波损耗S11的仿真S参数图；

图5(b)显示了本发明实施例的双频可调滤波器在C_a不变，改变C_b的值时，插入损耗S21和回波损耗S11的仿真S参数图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了本发明优选实施例的独立可调双频滤波器的三维结构示意图。

如图1所示，本发明优选实施例的独立可调双频滤波器，包括介质板15和布设于介质板15上的独立可调双频滤波器电路。

参见图1，所述介质板15构成本发明频带独立可调滤波器的印刷电路基板，用于承载整个滤波器电路。本发明的一个具体实施例中，介质板15的厚度设置为0.762mm，介电常数设置为3.48。滤波器电路设置在介质板15的正面，介质板15的背面设置有金属接地面14。此外，介质板15设有贯穿正面和背面的过孔17和过孔18。过孔17连接在电容12的末端和金属接地面14之间，以实现电容12的接地。过孔18连接在电容13的末端和金属接地面14之间，以实现电容13的接地。

参见图1，频带独立可调双频滤波器电路包括第一组耦合微带线3和第一顶端连接点11，第二组耦合微带线4和第二顶端连接点10，微带线5和微带线6。

其中，第一组耦合微带线3形成为两条平行设置的微带线，该两条微带线的一端共同连接到第一顶端连接点11，第二组耦合微带线4的形成为两条平行设置的微带线，该两条微带线的一端共同连接到第二顶端连接点10，如上所述，第一顶端连接点11用于连接第一组耦合微带线3的顶端间隙，第二顶端连接点10用于连接第二组耦合微带线4的顶端间隙。第二组耦合微带线4的末端和第一组耦合微带线3的末端连接。微带线5和微带线6分别与第二组耦合微带线4的末端垂直连接。

如图1所示，输入端口1和输出端口2形成为微带线，输入端口1、输出端口2分别与微带线7和微带线8连接，水平延伸到介质板15的边缘。

如图1所示，电容12一端和第二组耦合微带线4的顶端连接，另一端和过孔17连接，电容13一端和微带线9连接，另一端和过孔18连接。

图2显示了图1所示的频带独立可调双频滤波器的电路结构示意图。

如图2所示，输入端口1和输出端口2均设置在介质板15的正面。

如图2所示，在频带独立可调滤波器电路中，第一组耦合微带线3的长度和宽度分别为L₁，W₁,两条微带线之间的线间距为S₁，该微带线连接到的第一顶端连接点11的微带线宽度为D₁；第二组耦合微带线4的长度和宽度分别为L₂，W₂,两条微带线之间的线间距为S₂，该微带线连接到的第二顶端连接点10的微带线宽度为D₂；微带线9的长度和宽度分别为L₄，W₄。微带线5和微带线6的长度和宽度均为L₀₁，W₀₁。微带线7和微带线8的长度和宽度均为L₀₂，W₀₂。输入端口1和输出端口2的长度和宽度均为L₃，W₃。过孔17和过孔18的半径均为R₀。可调电容(12)和可调电容(13)的长度和宽度均为L_c、W_c。

本发明的一个优选实施例中，其具体尺寸如下：W₁＝1.64mm，L₁＝17.3mm，S₁＝0.3mm，W₂＝3.3mm，L₂＝46.45mm，S₂＝0.83mm，D_1＝0.82mm，D₂＝0.83mm，W₄＝0.43mm，L₄＝50.6mm，W₀₁＝1.5mm，L₀₁＝37.07mm,W₃＝1.3mm，L₃＝3.6mm，W₀₂＝0.2mm，L₀₂＝35.07mm,R₀＝0.4mm，L_c＝1.7mm,W_c＝0.9mm。

图1中，去掉输入端口1、输出端口2、微带线7、微带线8，得到谐振器电路；加上输入端口1、输出端口2、微带线7、微带线8是滤波器电路。

在偶模激励下，谐振器偶模等效电路如图3(a)所示，Z₀,θ₀为微带线5和微带线6的特性阻抗和电长度，Z_e1,θ₁分别为第一组耦合微带线3的偶模特性阻抗和电长度，Z_e2,θ₂分别为第二组耦合微带线4的偶模特性阻抗和电长度，Z₃为微带线9的特性阻抗，θ₃为微带线9的电长度，C_a为电容13的值，C_b为电容12的值。

在奇模激励下，谐振器奇模的等效电路如图3(b)所示，Z₀,θ₀为微带线5和微带线6的特性阻抗和电长度，Z_o1,θ₁分别为第一组耦合微带线3的奇模特性阻抗和电长度，Z_o2,θ₂分别为第二组耦合微带线4的奇模特性阻抗和电长度。

其中，偶模激励和奇模激励的等效电路中的各参数值满足以下等式：

Z₀Z_e1(ωC_bZ_e2+2tanθ₂)[2Z₃(1-ωC_aZ₃tanθ₃)-Z_e1tanθ₁(ωC_aZ₃+tanθ₃)]

+Z₀Z_e2(2-ωC_bZ_e2tanθ₂)[Z_e1(ωC_aZ₃+tanθ₃)+2Z₃tanθ₁(1-ωC_aZ₃tanθ₃)](1)

+Z_e1Z_e2tanθ₀(2-ωC_bZ_e2tanθ₂)[2Z₃(1-ωC_aZ₃tanθ₃)-Z_e1tanθ₁(ωC_aZ₃+tanθ₃)]＝0

Z_o1Z_o2tanθ₀tanθ₁tanθ₂-Z₀Z_o2tanθ₂-Z₀Z_o1tanθ₁＝0(2)

图4(a)为电容13的值C_a对谐振频率的影响，图4(b)为电容12的值C_b对谐振频率的影响。

下面描述本发明的一个具体实施例。

在本发明的该具体实施例中，输入端口和输出端口的特性阻抗均为Z₀＝50Ω，通过等式(1)和等式(2)，计算得出电路的各个参数为Z_e1＝61.2Ω，Z_o1＝39.1Ω，θ₁＝35°,Z_e2＝36.2Ω，Z_o2＝30.6Ω，θ₂＝93°,Z₀＝111.74Ω，θ₀＝66.44°,Z₃＝91.1Ω，θ₃＝95.7°。根据上述介质板的介电常数、厚度，通过传输线计算软件得出如下参数(可参见图2)，输入端口和输出端口微带线的长度和宽度分别为L₃＝1.7mm,W₃＝0.9mm，第一组耦合微带线3的长度、宽度及微带线间的间隙分别为W₁＝1.64mm，L₁＝17.3mm，S₁＝0.3mm，第二组耦合微带线4的长度、宽度及微带线间的间隙分别为W₂＝3.3mm，L₂＝46.45mm，S₂＝0.83mm，微带线5和微带线6的宽度和长度相同，且分别为W₀₁＝1.5mm，L₀₁＝37.07mm,微带线7和微带线8的宽度和长度相同，且分别为W₀₂＝0.2mm，L₀₂＝35.07mm,微带线5和微带线7的间隙为S₀＝0.2mm，微带线9的宽度和长度分别为W₄＝0.43mm，L₄＝50.6mm，第一顶端连接点11的微带线宽度D_1＝0.82mm，第二顶端连接点10的微带线宽度为D_2＝0.83mm。

图5(a)显示了本发明实施例的频带独立可调双频滤波器，当电容12的值保持不变，改变电容13的值时，插入损耗S₂₁和回波损耗S₁₁的仿真S参数图。

图5(b)显示了本发明实施例的频带独立可调双频滤波器，当电容13的值保持不变，改变电容12的值时，插入损耗S₂₁和回波损耗S₁₁的仿真S参数图。

测试图中，S参数用于描述各个端口之间的信号传递情况，常用dB值表示。S₁₁是指所有端口连接匹配负载时，向1端口看去的反射系数，S₁₁小于-10dB表示能量大多可以通过1端口，只有极少数的能量反射回1端口，传输度高；S₂₁表示由2端口到1端口的传输系数，越低表示器件损耗越低，性能越好。

如图4(a)所示，当电容13的值C_a增大时，高频通带带宽随之增大，但低频通带带宽保持不变。

如图4(b)所示，当电容12的值C_b增大时，低频通带带宽随之减小，而高频通带几乎保持不变。

如图5(a)所示，当电容12的值为0.82pF,且保持不变，电容13的值在5.1pF～13.5pF间变化时，双频滤波器的高频通带带宽在80MHz～130MHz之间变化，而双频滤波器的低频通带带宽保持116MHz基本不变。

如图5(b)所示，当电容13的值为6pF,且保持不变，电容12的值在0.4pF～1.9pF之间变化时，双频滤波器的低频通带带宽在74MHz～135MHz之间变化，而双频滤波器的高频通带带宽保持80MHz基本不变。

如上所示，本发明的频带独立可调双频滤波器，电路结构简单，对称、紧凑、实用，通过使用耦合线连接枝节实现双频带性能，通过使用可调电容实现双频滤波器两个频带独立可调的性能。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种频带独立可调的平面双频滤波器，包括：介质板(15)和布设于介质板(15)上的频带独立可调双频滤波器电路；

介质板(15)为基板，正面设置频带独立可调双频滤波器电路，背面设置金属接地面(14)，介质板(15)设置第一过孔(17)和第二过孔(18)，第一过孔(17)连通第一电容(12)末端和金属接地面(14)，第二过孔(18)连通第二电容(13)末端和金属接地面(14)；

频带独立可调双频滤波器电路包括第一组耦合微带线(3)、第二组耦合微带线(4)、第一微带线(5)、第二微带线(6)、第三微带线(7)、第四微带线(8)、第五微带线(9)、第一电容(12)和第二电容(13)；

两条平行设置的宽度相同的微带线形成第一组耦合微带线(3)，另外两条平行设置的宽度相同的微带线形成第二组耦合微带线(4)，第一组耦合微带线(3)中两条平行设置的微带线的一端共同连接至第一顶端连接点(11)，另一端分别连接第二组耦合微带线(4)中两条平行设置的微带线的末端，第二组耦合微带线(4)中两条平行设置的微带线的另一端共同连接到第二顶端连接点(10)，第一微带线(5)和第二微带线(6)一端处于开路状态，另一端分别和第二组耦合微带线(4)的两个末端垂直连接；

两个微带线分别形成输入端口(1)和输出端口(2)，第三微带线(7)和输入端口(1)连接，第四微带线(8)和输出端口(2)连接，输入端口(1)和输出端口(2)水平延伸至介质板(15)的边缘，第三微带线(7)和第一微带线(5)平行，第四微带线(8)和第二微带线(6)平行；

第五微带线(9)的一端与第一组耦合微带线(3)的顶端连接，另一端与第二电容(13)连接，第二电容(13)的另一端和第二过孔(18)连接；第一电容(12)一端和第二组耦合微带线(4)的顶端连接，另一端和第一过孔(17)连接。

2.根据权利要求1所述的一种频带独立可调的平面双频滤波器，所述的第一顶端连接点(11)的宽度是第一组耦合微带线(3)中一个微带线宽度的1/2，长度与两条平行微带线之间的线间距相同。

3.根据权利要求1所述的一种频带独立可调的平面双频滤波器，所述的第二顶端连接点(10)的宽度是第二组微带耦合线(4)中一个微带线宽度的1/4，长度与两条平行微带线之间的线间距相同。

4.根据权利要求1所述的一种频带独立可调的平面双频滤波器，所述的第一组耦合微带线(3)和第二组耦合微带线(4)的长度分别为L₁＝17.3mm，L₂＝46.45mm，宽度分别为W₁＝1.64mm,W₂＝3.3mm，线间距分别为S₁＝0.3mm，S₂＝0.83mm；

第一顶端连接点(11)和第二顶端连接点(10)的宽度分别为D_1＝0.82mm，D₂＝0.83mm；连接到第一组微带耦合线(3)顶端的第五微带线(9)的长度为L₄＝50.6mm，宽度为W₄＝0.43mm；连接到第二组微带耦合线(4)末端的第一微带线(5)和第二微带线(6)的长度为L₀₁＝37.07mm，宽度为W₀₁＝1.5mm；

输入端口(1)和输出端口(2)的长度和宽度均为L₃＝3.6mm，W₃＝1.3mm；连接输入端口(1)和输出端口(2)的第三微带线(7)和第四微带线(8)的长度和宽度均为L₀₂＝35.07mm，W₀₂＝0.2mm；

第一过孔(17)和第二过孔(18)的半径R₀均为0.4mm；

第一可调电容(12)和第二可调电容(13)的型号分别为SMV1231、SMV1235，长度和宽度均为L_c＝1.7mm,W_c＝0.9mm。

5.根据权利要求1所述的一种频带独立可调的平面双频滤波器，所述的频带独立可调双频滤波器的各参数满足以下等式：

Z₀Z_e1(ωC_bZ_e2+2tanθ₂)[2Z₃(1-ωC_aZ₃tanθ₃)-Z_e1tanθ₁(ωC_aZ₃+tanθ₃)]

+Z₀Z_e2(2-ωC_bZ_e2tanθ₂)[Z_e1(ωC_aZ₃+tanθ₃)+2Z₃tanθ₁(1-ωC_aZ₃tanθ₃)]

+Z_e1Z_e2tanθ₀(2-ωC_bZ_e2tanθ₂)[2Z₃(1-ωC_aZ₃tanθ₃)-Z_e1tanθ₁(ωC_aZ₃+tanθ₃)]＝0

Z_o1Z_o2tanθ₀tanθ₁tanθ₂-Z₀Z_o2tanθ₂-Z₀Z_o1tanθ₁＝0

其中，θ₀为第一微带线(5)和第二微带线(6)的电长度，Z₀为第一微带线(5)和第二微带线(6)的特性阻抗；θ₁为第一组耦合微带线(3)的电长度，Z_e1、Z_o1分别为第一组耦合微带线(3)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；θ₂为第二组耦合微带线(4)的电长度，Z_e2、Z_o2分别为第二组耦合微带线(4)的偶模特性阻抗和奇模特性阻抗；θ₃为第五微带线(9)的电长度，Z₃为第五微带线(9)的特性阻抗，C_a为第二电容(13)的值，C_b为第一电容(12)的值，w是角频率。