CN105529515B - 一种基于开路枝节加载的可调带通‑带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开路枝节加载的可调带通‑带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板上，所述双面覆铜微带板的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一微带线、第二微带线、第一多模加载谐振器以及第二多模加载谐振器，该双面覆铜微带板的另一面为覆铜接地板。该滤波器在开路枝节末端加载变容管，通过控制变容管的电压从而调节变容管的容值，进而调节滤波器的中心频率，而带通‑带阻特性的调节由PIN二极管控制。本发明公开的滤波器具有可在带通滤波器与带阻滤波器进行切换、中心频率可控、结构简单、尺寸小等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及平面微带滤波器的技术领域，特别涉及一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器。
背景技术
近年来，无线通信的高速发展、3G技术的普及、4G的到来，都标志着无线技术将迎来一个蓬勃发展的高峰期。同时随着无线电子产品在人民生活中的普及，小型化、成本低已经成为了电子产品的趋势。另一方面，随着电子信息的迅猛发展，日趋紧张的频谱资源更加匮乏，为提高通信容量及降低相邻信道间信号串扰，对滤波器的选择性及集成化等提出了更高的要求。而微带滤波器则满足了这一些要求。
在射频滤波器中，属带通滤波器和带阻滤波器的研究最为活跃，每一期的IEEETMTT和IEEE MWCL都有大量的关于带通滤波器和带阻滤波器的文章。其中，带通滤波器是现代通信系统中最重要的元件之一，其作用为让带通内的信号自由通过而让带通外的信息尽量衰减地通过。带阻滤波器则相反，目的是让阻带内的信号尽量衰减的通过，而让带外的信号自由地通过，这点对不需要的干扰及噪声等的衰减具有重要的意义。
但随着电磁环境的越来越复杂，宽带无线系统经常需要接收处于动态干扰环境下所需的信号，这时可切换带通-带阻滤波器就具有重大的现实意义。因为对于一个高功率干扰电磁环境，带阻模式可以抑制所需信号附近的大功率干扰，而带通模式可以用在低功率干扰模式下。所以有必要对微带可切换带通-带阻滤波器进行进一步的研究。
资料显示在2014年3月，Young-Ho Cho和Gabriel M.Rebeiz在本技术领域顶级期刊"IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES"上发表题为"Two-andFour-Pole Tunable 0.7–1.1-GHzBandpass-to-Bandstop Filters With BandwidthControl"的文章。该滤波器使用了射频开关，控制带通滤波器与带阻滤波器的切换。该滤波器使用的开关是RF MEMS开关，这种开关虽然特性优良，但是其昂贵的成本限制了其推广应用，而本专利使用的是PIN二极管控制带通-带阻特性的选择，而PIN二极管应用广泛，技术成熟，便宜易得。
同时，资料还显示在2013年4月，William J.Chappell等在本技术领域顶级期刊"IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES"发表了“New BandstopFilter Circuit Topology and Its Application to Design of a Bandstop-to-Bandpass Switchable Filter”，该文章设计的滤波器如图1所示。该滤波器也是通过RFMEMS开关实现带通滤波器和带阻滤波器的切换。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，该滤波器在开路枝节末端加载变容管，通过控制变容管的电压从而调节变容管的容值，进而调节滤波器的中心频率，而带通-带阻特性的调节由PIN二极管控制。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板1上，所述双面覆铜微带板1的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一微带线21、第二微带线22、第一多模加载谐振器以及第二多模加载谐振器，该双面覆铜微带板1的另一面为覆铜接地板；
其中，所述馈线端口port1、所述馈线端口port2、所述第一微带线21、所述第二微带线22位于同一直线上，所述第一多模加载谐振器以及所述第二多模加载谐振器分别位于直线的两侧；
所述馈线端口port1通过串联隔直电容C7与所述第一微带线21的第一端连接，所述馈线端口port2通过串联隔直电容C8与所述第二微带线22的第二端连接，所述第一微带线21的第二端与所述第二微带线22的第一端通过串联PIN二极管D7连接；同时外接直流电源V3通过串联高频扼流圈RF choke以及限流电阻R后接入所述第一微带线21的第一端，所述第二微带线22的第二端通过串联高频扼流圈RF choke接地。
进一步地，通过控制所述外接直流电源V3的电压进而控制所述PIN二极管D7的两端电压，实现所述PIN二极管D7开闭状态的控制，当所述PIN二极管D7闭合状态时，其两端导通，所述滤波器处于带阻模式，所述第一微带线21与所述第二微带线22为输入与输出端口之间的连接线；当所述PIN二极管D7隔离状态时，其两端断开，所述滤波器处于带通模式，所述第一微带线21与所述第二微带线22为输入与输出端口之间的馈线。
进一步地，所述第一多模加载谐振器与所述第二多模加载谐振器以所述第一微带线21与所述第二微带线22所在直线为对称轴成镜像对称或者反向对称。
进一步地，所述第一多模加载谐振器包括第一开路枝节3、第二开路枝节4与第三开路枝节5，其中所述第一开路枝节3包括微带线31、32，其中微带线31、32垂直连接构成L型，其中所述第二开路枝节4包括微带线41、42，其中微带线41、42垂直连接构成L型，所述第三开路枝节5由直线型微带线51与U型微带线52连接构成，所述微带线31的一端和所述微带线41一端直线连接，上述二者分别与所述微带线51的一端垂直连接；
所述第二多模加载谐振器包括第四开路枝节6、第五开路枝节7与第六开路枝节8，其中所述第四开路枝节6包括微带线61、62，其中微带线61、62垂直连接构成L型，其中所述第五开路枝节7包括微带线71、72，其中微带线71、72垂直连接构成L型，所述第六开路枝节8由直线型微带线81与U型微带线82连接构成，所述微带线61的一端和所述微带线71一端直线连接，上述二者分别与所述微带线81的一端垂直连接。
进一步地，所述微带线61、71所在直线、所述微带线31、41所在直线分别与所述第一微带线21和所述第二微带线22所在直线相互平行，并且相邻存在耦合间隙。
进一步地，所述第一开路枝节3、所述第二开路枝节4、所述第四开路枝节6与所述第五开路枝节7的开路端口分别通过串联隔直电容、高频扼流圈RF choke与外接直流电源V1连接，同时分别通过串联隔直电容、变容二极管接地。
进一步地，所述第三开路枝节5与所述第六开路枝节8的开路端口分别通过串联隔直电容、高频扼流圈RF choke与外接直流电源V2连接，同时分别通过串联隔直电容、变容二极管接地。
进一步地，所述第一开路枝节3、所述第二开路枝节4、所述第四开路枝节6、以及所述第五开路枝节7的微带线分别和变容二极管工作时等效的微带线长度之和等效为所述可调带通-带阻滤波器工作时中心频率对应的四分之一波长。
进一步地，所述第三开路枝节5以及所述第六开路枝节8的微带线分别和变容二极管工作时等效的长度之和等效为所述可调带通-带阻滤波器工作时中心频率对应的四分之一波长。
进一步地，所述第一微带线21与所述第二微带线22的长度要求分别大于所述微带线31和所述微带线41的长度。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明在滤波器中使用PIN二极管，可以灵活控制滤波器在带通模式和带阻模式之间进行切换。
2、带通模式和带阻模式的中心频率可以很方便地调节，其中，带通模式的可调节范围为675MHz-975MHz，带阻模式的可调节范围为695MHz-1000MHz。
3、由于滤波器为微带结构，体积小、重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以滤波器具备结构简单、生产成本低的优点。
附图说明
图1是现有技术中带通-带阻滤波器的结构示意图；
图2是本发明中公开的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器的结构示意图；
图3是本发明中使用的变容二极管的ADS模型；
图4(a)是PIN二极管处于隔离状态时滤波器的散射参数S11仿真结果图；
图4(b)是PIN二极管处于隔离状态时滤波器的散射参数S21仿真结果图；
图5(a)是PIN二极管处于闭合状态时滤波器的散射参数S11仿真结果图；
图5(b)是PIN二极管处于闭合状态时滤波器的散射参数S21仿真结果图；
1-双面覆铜微带板，21-第一微带线，22-第二微带线，3-第一开路枝节，31-微带线，32-微带线，4-第二开路枝节，41-微带线，42-微带线，5-第三开路枝节，51-微带线，52-微带线，6-第四开路枝节，61-微带线，62-微带线，7-第五开路枝节，71-微带线，72-微带线，8-第六开路枝节，81-微带线，82-微带线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
实施例
如附图2所示的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器的结构示意图，本实施例公开的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板1上，所述双面覆铜微带板1的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一微带线21、第二微带线22、第一多模加载谐振器以及第二多模加载谐振器，该双面覆铜微带板1的另一面为覆铜接地板。
第一微带线21与第二微带线22在滤波器的带通模式为输入与输出端口之间的馈线，同时也是在滤波器的带阻模式下两个端口间的连接线。
其中，所述馈线端口port1、所述馈线端口port2、所述第一微带线21、所述第二微带线22位于同一直线上，所述第一多模加载谐振器以及所述第二多模加载谐振器分别位于直线的两侧。
所述馈线端口port1通过串联隔直电容C7与所述第一微带线21的第一端连接，所述馈线端口port2通过串联隔直电容C8与所述第二微带线22的第二端连接，所述第一微带线21的第二端与所述第二微带线22的第一端通过串联PIN二极管D7连接；同时外接直流电源V3通过串联高频扼流圈RF choke以及限流电阻R后接入所述第一微带线21的第一端，所述第二微带线22的第二端通过串联高频扼流圈RF choke接地。
通过控制所述外接直流电源V3的电压进而控制所述PIN二极管D7的两端电压，实现所述PIN二极管D7开闭状态的控制，当所述PIN二极管D7闭合状态时，其两端导通，所述滤波器处于带阻模式，所述第一微带线21与所述第二微带线22为输入与输出端口之间的连接线；当所述PIN二极管D7隔离状态时，其两端断开，所述滤波器处于带通模式，所述第一微带线21与所述第二微带线22为输入与输出端口之间的馈线。
D7为PIN二极管，可以通过控制外接直流电源V3进而控制其两端电压进而控制其开闭状态，当其两端导通时，开关处于闭合状态，滤波器处于带阻模式，当其两端压降为零时，PIN二极管处于隔离状态，滤波器处于带通模式。R为电阻，用于限制PIN二极管上的电流大小以保护PIN二极管不被烧坏。输入/输出端口均为50欧姆的匹配阻抗。
如附图2所示，第一多模加载谐振器与第二多模加载谐振器以第一微带线21与所述第二微带线22所在直线为对称轴成镜像对称或者反向对称。
其中，第一多模加载谐振器包括第一开路枝节3、第二开路枝节4与第三开路枝节5，其中第一开路枝节3包括微带线31、32，其中微带线31、32垂直连接构成L型，其中所述第二开路枝节4包括微带线41、42，其中微带线41、42垂直连接构成L型，所述第三开路枝节5由直线型微带线51与U型微带线52连接构成，所述微带线31的一端和所述微带线41一端直线连接，上述二者分别与所述微带线51的一端垂直连接。
其中，第二多模加载谐振器包括第四开路枝节6、第五开路枝节7与第六开路枝节8，其中所述第四开路枝节6包括微带线61、62，其中微带线61、62垂直连接构成L型，其中所述第五开路枝节7包括微带线71、72，其中微带线71、72垂直连接构成L型，所述第六开路枝节8由直线型微带线81与U型微带线82连接构成，所述微带线61的一端和所述微带线71一端直线连接，上述二者分别与所述微带线81的一端垂直连接。
微带线61、71所在直线、微带线31、41所在直线分别与第一微带线21和第二微带线22所在直线相互平行，并且相邻存在耦合间隙。
如图2所示，第一开路枝节3、第二开路枝节4、第四开路枝节6与第五开路枝节7的开路端口分别通过串联隔直电容C1-C2和C4-C5、高频扼流圈RF choke与外接直流电源V1连接，同时分别通过串联相应的上述隔直电容、变容二极管D1-D2和D4-D5接地。
第三开路枝节5与第六开路枝节8的开路端口分别通过串联隔直电容C3与C6、高频扼流圈RF choke与外接直流电源V2连接，同时分别通过串联相应的上述隔直电容、变容二极管D3和D6接地。
上述D1-D6都为变容管，外接直流电源V1和V2为变容管的控制直流电压，通过改变控制直流电压改变变容管的容值从而改变谐振器的谐振频率，进而实现该滤波器的可调特性。C1-C8都为隔直电容，外接直流电压对交流电路的影响或者影响端口外的电路。隔直电容的作用是隔离各个外接直流电源对其他变容管或者PIN开关二极管的影响或者对于端口外电路的影响，因为本实施例中采取了比较大且合适的容值，所以其对于射频信号而言是短路的，并不会影响射频电路的频率或者性能，只起到了隔直的效果。RF choke为高频扼流圈，防止射频信号对直流电源的影响。
其中，第一开路枝节3、第二开路枝节4、第四开路枝节6、以及第五开路枝节7的微带线分别和对应的变容二极管的长度之和等效为所述可调带通-带阻滤波器工作时中心频率对应的四分之一波长。
第三开路枝节5以及第六开路枝节8的微带线分别和变容二极管工作时等效的长度之和等效为所述可调带通-带阻滤波器工作时中心频率对应的四分之一波长。
第一微带线21与第二微带线22的长度分别大于微带线31和微带线41的长度。
四分之一波长的开路线谐振器等效电路为串联LC谐振器，所以在其末端加载变容管相当于在LC谐振器上并联了可调的电容，因而可以通过调节变容管的容值改变谐振器的电容，进而由谐振条件可以控制谐振频率，进而实现频率可调的目的。本专利采用的是多模谐振器，其主传输线是由两个四分之一波长开路谐振器构成，在中间加载的开路枝节也是四分之一波长开路线谐振器。由奇偶模分析法可以得到通过调节主谐振器末端变容管容值可以改变谐振器的奇偶模谐振频率，改变中间加载的开路线末端的变容管容值可以改变谐振器的偶模谐振频率，通过适当的调节可以实现滤波器的奇偶模谐振频率的重叠，而通过改变变容管的容值我们可以很方便的实现谐振频率的调节。谐振器(即微带线与其加载的变容管等效的谐振器)工作时对应波长的四分之一。
使用仿真软件Advanced Design System对滤波器进行仿真，本发明设计的滤波器使用的微带基板的相对介电常数为2.55，介质高度为0.8mm。
图3是使用的变容二极管的ADS模型，本专利使用的是SMV 1405(CV＝2.67-0.63pF,RS＝0.80Ω,Cp＝0.29pF,Ls＝0.7nH)。
图4(a)显示了PIN二极管处于隔离状态时，即开关打开时滤波器的散射参数仿真结果，此时的滤波器为带通模式。横轴表示本发明中微带滤波器的信号频率，纵轴表示滤波器的回波损耗(S11)，回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系,其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率＝＝20*log|S11|。图4(b)显示了滤波器的插入损耗(S21)仿真结果，插入损耗表示一个信号的输入功率与另一个端口信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20*log|S21|。可以发现其带通模式频率的调节范围为675MHz-975MHz，且其回波损耗都超过20dB，性能优良。
图5(a)和图5(b)显示了PIN二极管出于导通状态时，即开关闭合时滤波器的散射参数仿真结果，此时的滤波器为带阻模式。可以发现其带通模式频率的调节范围为695MHz-1000MHz，且其抑制度都超过15dB，性能优良。
综上所述，本发明提出的一种带通滤波器与带阻滤波器相互切换并且滤波器的频率可调的设计方案，利用开路枝节加载变容管的方法进行设计，通过调节变容的电压从而实现了频率可调的功能，而PIN二极管的作用则是控制带通-带阻特性的相互切换。具有设计灵活，体积小，成本低，特性好的特点。
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 (7)
1.一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板(1)上，其特征在于：
所述双面覆铜微带板(1)的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一微带线(21)、第二微带线(22)、第一多模加载谐振器以及第二多模加载谐振器，该双面覆铜微带板(1)的另一面为覆铜接地板；
其中，所述馈线端口port1、所述馈线端口port2、所述第一微带线(21)、所述第二微带线(22)位于同一直线上，所述第一多模加载谐振器以及所述第二多模加载谐振器分别位于直线的两侧；
所述馈线端口port1通过串联隔直电容C7与所述第一微带线(21)的第一端连接，所述馈线端口port2通过串联隔直电容C8与所述第二微带线(22)的第二端连接，所述第一微带线(21)的第二端与所述第二微带线(22)的第一端通过串联PIN二极管D7连接；同时外接直流电源V3通过串联高频扼流圈RF choke以及限流电阻R后接入所述第一微带线(21)的第一端，所述第二微带线(22)的第二端通过串联高频扼流圈RF choke接地；
所述第一多模加载谐振器包括第一开路枝节(3)、第二开路枝节(4)与第三开路枝节(5)，其中所述第一开路枝节(3)包括第三微带线(31)和第四微带线(32)，其中所述第三微带线(31)和所述第四微带线(32)垂直连接构成L型，其中所述第二开路枝节(4)包括第五微带线(41)和第六微带线(42)，其中所述第五微带线(41)和所述第六微带线(42)垂直连接构成L型，所述第三开路枝节(5)由直线型第七微带线(51)与U型第八微带线(52)连接构成；所述第三微带线(31)的一端和所述第五微带线(41)一端直线连接，上述二者分别与所述第七微带线(51)的一端垂直连接；
所述第二多模加载谐振器包括第四开路枝节(6)、第五开路枝节(7)与第六开路枝节(8)，其中所述第四开路枝节(6)包括第九微带线(61)和第十微带线(62)，其中所述第九微带线(61)和所述第十微带线(62)垂直连接构成L型，其中所述第五开路枝节(7)包括第十一微带线(71)和第十二微带线(72)，其中所述第十一微带线(71)和所述第十二微带线(72)垂直连接构成L型，所述第六开路枝节(8)由直线型第十三微带线(81)与U型第十四微带线(82)连接构成；所述第九微带线(61)的一端和所述第十一微带线(71)一端直线连接，上述二者分别与所述第十三微带线(81)的一端垂直连接；
所述第一开路枝节(3)、所述第二开路枝节(4)、所述第四开路枝节(6)与所述第五开路枝节(7)的开路端口先连接隔直电容后，一路通过高频扼流圈RF choke与外接直流电源V1连接，另一路通过变容二极管接地；
所述第三开路枝节(5)与所述第六开路枝节(8)的开路端口先连接隔直电容后，一路通过高频扼流圈RF choke与外接直流电源V2连接，另一路通过变容二极管接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，其特征在于：
通过控制所述外接直流电源V3的电压进而控制所述PIN二极管D7的两端电压，实现所述PIN二极管D7开闭状态的控制，当所述PIN二极管D7闭合状态时，其两端导通，所述滤波器处于带阻模式，所述第一微带线(21)与所述第二微带线(22)为输入与输出端口之间的连接线；当所述PIN二极管D7隔离状态时，其两端断开，所述滤波器处于带通模式，所述第一微带线(21)与所述第二微带线(22)为输入与输出端口之间的馈线。
3.根据权利要求1所述的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，其特征在于：
所述第一多模加载谐振器与所述第二多模加载谐振器以所述第一微带线(21)与所述第二微带线(22)所在直线为对称轴成镜像对称或者反向对称。
4.根据权利要求1所述的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，其特征在于：
所述第九微带线(61)与所述第十一微带线(71)所在直线、所述第三微带线(31)与所述第五微带线(41)所在直线分别与所述第一微带线(21)和所述第二微带线(22)所在直线相互平行，并且相邻存在耦合间隙。
5.根据权利要求1所述的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，其特征在于：
所述第一开路枝节(3)、所述第二开路枝节(4)、所述第四开路枝节(6)、以及所述第五开路枝节(7)的微带线分别和变容二极管工作时等效的微带线长度之和等效为所述可调带通-带阻滤波器工作时中心频率对应的四分之一波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，其特征在于：
所述第三开路枝节(5)以及所述第六开路枝节(8)的微带线分别和变容二极管的工作时等效的微带线长度之和等效为所述可调带通-带阻滤波器工作时中心频率对应的四分之一波长。
7.根据权利要求1所述的一种基于开路枝节加载的可调带通-带阻滤波器，其特征在于：
所述第一微带线(21)与所述第二微带线(22)的长度要求分别大于所述第三微带线(31)与所述第五微带线(41)的长度。
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