CN105720335A - 一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属贴片以及金属通孔，所述微带线结构包括一个多模谐振器和两对输入/输出馈电线，所述多模谐振器包括上下对称的第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线均呈E型，第一微带线朝下，第二微带线朝上；第一微带线的左右两侧微带枝节线分别通过两个串联的变容二极管与第二微带线的左右两侧微带枝节线连接，第一微带线的中心微带枝节线也通过两个串联的变容二极管与第二微带线的中心微带枝节线连接，并且在这两个串联的变容二极管的中心加载一段短微带枝节线。本发明不仅实现了通带的中心频率可调，而且实现了带宽可调。

Description

一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种平衡带通滤波器，尤其是一种应用在对信噪比要求高的可重构射频前端系统的的紧凑型可电调的平衡带通滤波器，属于微波通信技术领域。

背景技术

无线通信技术的飞快发展对射频前端系统的高性能、小型化、兼容性和灵活性等提出更高的要求。射频电调滤波器作为射频前端系统的重要组成部分，并且具有体积小、成本低以及可重构等优势，因此日益受到重视。与传统的单端滤波器相比，平衡滤波器具有共模抑制的效果，能够很好的抑制周围环境噪声干扰，提高信噪比，满足现代通信系统高质量的通信要求。所以，对紧凑型可调平衡带通滤波器的研究具有重大的意义。

平衡滤波器对环境噪声有较好的抑制效果，因此在现代通信系统中，平衡滤波器得到了广泛的应用。目前平衡滤波器的研究主要集中在共模抑制、多频带和小型化等方面。根据“J.ShiandQ.Xue，“Balancedbandpassfiltersusingcenter-loadedhalf-wavelengthresonators，”IEEETrans.Microw.TheoryTechn.，vol.58，no.4，pp.970-977，Apr.2010.”所提供的分析得知，对于共模抑制，用得比较多的方法是在对称中心加载集中元件，并且不影响差模状态下的通带性能，但是增加了加工难度。而根据“C.-H.Lee，C.-I.G.Hsu，andC.-C.Hsu，“Balanceddual-bandBPFwithstub-loadedSIRsforcommon-modesuppression，”IEEEMic-row.WirelessCompon.Lett.，vol.20，no.2，pp.70-72，Feb.2010.”所提供的分析可知，利用中心加载枝节，分离共模和差模的工作频率以及使每对谐振器具有同样的差模谐振频率和不同的共模谐振频率也能达到共模抑制的效果。但是很多平衡滤波器的中心频率是不可以调节的，目前只有为数不多的可调平衡滤波器被提出。

2010年YuanChunLi等人在IEEETransactiononMTT上发表了“TunableBalancedBandpassFilterWithConstantBandwidthandHighCommon-ModeSuppression”，提出了带宽恒定的可调平衡滤波器，通过中心加载集中元件的方法抑制共模，并且利用电磁混合耦合的方式控制带宽。

2012年JinrongMao等人在IETMicrowaves，Antennas&Propagation上发表了“Tunabledifferential-modebandpassfilterswithwidetuningrangeandhighcommon-modesuppression”，文章提出了基于两端分别加载变容管的阶梯阻抗谐振器设计的可调平衡带通滤波器。同样也是通过集中元件加载的方式抑制共模，利用电磁混合耦合的方式控制带宽的恒定。然而，这两种方法设计的滤波器一旦被加工成型，在频率调节过程中，带宽是不可调节的。

综上所述，已发表的文章或专利多涉及可重构单端带通滤波器，对环境噪声具有抑制效果的可调平衡带通滤波器相对较少，所提方法和结构以及所实现的性能有限。实际应用中不仅要求滤波器的中心频率是可以调节的，同时带宽也是可以调节的，目前已发表的文章或者专利虽然涉及的可调平衡滤波器的带宽是可控，但是一旦加工成型，在频率调节过程中，带宽是不可调的。此外，随着移动通信系统的飞速发展，对器件的小型化的需求也越来越大；同时，为了降低加工难度，在设计中应该尽量减少集中元件的个数。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，该滤波器不仅实现了通带的中心频率可调，而且实现了带宽可调，由于仅采用一个多模谐振器，所以在小型化方面具有较大的优势，并且无需增加额外的集总元件来抑制共模，降低了加工难度。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，包括上层的微带线结构、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一个多模谐振器和两对输入/输出馈电线，所述多模谐振器包括上下对称的第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和第二微带线均呈E型，第一微带线的两侧微带枝节线和中心微带枝节线朝下，第二微带线的两侧微带枝节线和中心微带枝节线朝上；所述第一微带线的左右两侧微带枝节线分别通过两个串联的变容二极管与第二微带线的左右两侧微带枝节线连接，第一微带线的中心微带枝节线也通过两个串联的变容二极管与第二微带线的中心微带枝节线连接。

作为一种优选方案，所述第一微带线的左侧微带枝节线与第二微带线的左侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管的中心，以及第一微带线的右侧微带枝节线与第二微带线的右侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管的中心均通过一个偏置电阻接第一直流电压源。

作为一种优选方案，所述第一微带线的中心微带枝节线与第二微带线的中心微带枝节线之间的两个串联的变容二极管的中心加载一段短微带枝节线。

作为一种优选方案，所述短微带枝节线通过一个偏置电阻接第二直流电压源。

作为一种优选方案，所述第一微带线的中心微带枝节线上加载第一接地射频扼流圈，所述第二微带线的中心微带枝节线上加载第二接地射频扼流圈。

作为一种优选方案，所述两对输入/输出馈电线中，每对输入/输出馈电线有两段输入/输出馈电线，每段输入/输出馈电线均为“τ”形状的终端短路微带线，每段终端短路微带线的一端直接与50欧姆微带线连接，所述50欧姆微带线向外侧弯折45度，弯折部分作为输入/输出端口，特性阻抗为50欧姆。

作为一种优选方案，每段终端短路微带线上加载一个固定电容，该固定电容用于调节外部品质因数。

作为一种优选方案，所述金属通孔有四个，每个金属通孔对应一段终端短路微带线，且设置在终端短路微带线的另一端。

作为一种优选方案，所述两对输入/输出馈电线中，一对输入/输出馈电线的两段输入/输出馈电线分别位于第一微带线外侧的左右两边，另一对输入/输出馈电线的两段输入/输出馈电线分别位于第二微带线外侧的左右两边。

作为一种优选方案，所述第一微带线的左侧微带枝节线与第二微带线的左侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管，以及第一微带线的右侧微带枝节线与第二微带线的右侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管均选用Skyworks公司的SMV1405-074型号的变容二极管；所述第一微带线的中心微带枝节线与第二微带线的中心微带枝节线之间的两个串联的变容二极管选用Skyworks公司的SMV1234-079型号的变容二极管。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过一个多模谐振器实现了可调平衡带通滤波器，该多模谐振器上下对称的两部分微带线均呈E型，对环境噪声这类干扰具有免疫功能，解决了现有技术多涉及可重构单端带通滤波器，对环境噪声具有抑制作用的可调平衡带通滤波器相对较少，所提方法和结构以及所实现的性能有限的问题。

2、本发明仅采用一个多模谐振器，因此在尺寸方面具有较大的优势，满足了实际应用中无线通信系统对器件小型化的要求，并且无需增加额外的集总元件来抑制共模，降低了加工难度。

3、本发明通过多模谐振器上下对称的两部分微带线之间串联的变容二极管对差模状态下的两个模式进行控制，不仅实现了通带的中心频率可调，而且实现了带宽可调，能够满足不同的应用需求，并且本发明无需采用额外的集中元件来抑制共模，本身具有较好的共模抑制性能。

4、本发明的两对输入/输出馈电线中，每对输入/输出馈电线有两段输入/输出馈电线，每段输入/输出馈电线均为“τ”形状的终端短路微带线，每段终端短路微带线的一端连接的50欧姆微带线向外侧弯折45度，目的是为了便于焊接SMA头和小型化。

附图说明

图1为本发明的紧凑型可电调的平衡带通滤波器结构示意图。

图2为本发明的多模谐振器结构图。

图3为本发明的多模谐振器的差模等效电路图。

图4为本发明的多模谐振器的差模等效电路的奇模等效电路图。

图5为本发明的多模谐振器的差模等效电路的偶模等效电路图。

图6为本发明的多模谐振器的共模等效电路图。

图7为本发明的多模谐振器的共模等效电路的奇模等效电路图。

图8为本发明的多模谐振器的共模等效电路的偶模等效电路图。

图9为本发明在不同C_v1和C_v2情况下，多模谐振器的差模谐振频率变化曲线图。

图10为本发明在不同C_v1和C_v2情况下，多模谐振器的共模谐振频率变化曲线图。

图11为本发明的紧凑型可电调的平衡带通滤波器的仿真曲线图。

图12为本发明的紧凑型可电调的平衡带通滤波器的仿真曲线图。

图13为本发明的紧凑型可电调的平衡带通滤波器的仿真曲线图。

图14为当V_cc1＝10V、V_cc2＝6.2～6.9V时，紧凑型可电调的平衡带通滤波器的带宽变化曲线图。

图15为当V_cc1＝30V、V_cc2＝11～13V时，紧凑型可电调的平衡带通滤波器的带宽变化曲线图。

其中，1-微带线结构，2-金属通孔，3-第一微带线，4-第二微带线，5-第一接地射频扼流圈，6-第二接地射频扼流圈，7-短微带枝节线，8-终端短路微带线，9-50欧姆微带线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例的平衡带通滤波器包括上层的微带线结构1、中层的介质基板(图中未示出)、下层的接地金属贴片(图中未示出)以及金属通孔2，所述金属通孔2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连接，所述微带线结构1包括一个多模谐振器和两对输入/输出馈电线；

所述多模谐振器如图2所示，包括上下对称的第一微带线3和第二微带线4，所述第一微带线3和第二微带线4均呈E型，第一微带线3两侧微带枝节线和中心微带枝节线朝下，第二微带线4的两侧微带枝节线和中心微带枝节线朝上；所述第一微带线3的左右两侧微带枝节线分别通过两个串联的变容二极管C_v1与第二微带线4的左右两侧微带枝节线连接，第一微带线3的中心微带枝节线也通过两个串联的变容二极管C_v2与第二微带线4的中心微带枝节线连接；所述第一微带线3的中心微带枝节线上加载第一接地射频扼流圈5，所述第二微带线4的中心微带枝节线上加载第二接地射频扼流圈6，第一接地射频扼流圈5和第二接地射频扼流圈6均作为直流接地用，并且能够防止射频信号短路到直流电源的地；

所述第一微带线3的左侧微带枝节线与第二微带线4的左侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管C_v1的中心，以及第一微带线3的右侧微带枝节线与第二微带线4的右侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管C_v1的中心均通过一个偏置电阻接第一直流电压源V_cc1，同时该偏置电阻也起到射频扼流的作用；

所述第一微带线3的中心微带枝节线与第二微带线4的中心微带枝节线之间的两个串联的变容二极管C_v2的中心加载一段短微带枝节线7，该短微带枝节线7通过一个偏置电阻接第二直流电压源V_cc2，同时该偏置电阻也起到射频扼流的作用；

所述两对输入/输出馈电线中，每对输入/输出馈电线有两段输入/输出馈电线，一对输入/输出馈电线的两段输入/输出馈电线分别位于第一微带线3外侧的左右两边，另一对输入/输出馈电线的两段输入/输出馈电线分别位于第二微带线4外侧的左右两边，每段输入/输出馈电线均为“τ”形状的终端短路微带线8，所述终端短路微带线8的一端直接与50欧姆微带线9连接，所述50欧姆微带线9向外侧弯折45度，目的是为了便于焊接SMA头和小型化，其中弯折部分作为输入/输出端口，特性阻抗为50欧姆；每段终端短路微带线8上加载一个固定电容C_s，该固定电容C_s可以用于调节外部品质因数；

所述金属通孔2实际上也就是接地过孔，共有四个，每个金属通孔2对应一段终端短路微带线8，且设置在终端短路微带线8的另一端。

当从输入/输出端口(Port1、Port1′，或者Port2、Port2′)输入差模信号时，对称面A-A′形成一个电隔离墙，如图2所示。在这种情况下，对称面上等效短路，变容二极管C_v1的等效电容值为原来的2倍，变容二极管C_v2等效接地，中心加载的短微带枝节线可以忽略，差模等效电路如图3所示，等效电路整体呈现为“T型”结构，即一条主传输线2L_r1和一条中心加载的开路枝节微带线L_r2，主传输线的两端加载有变容二极管C_v1，而开路枝节微带线的终端加载有变容二极管C_v2；从图3中可以看出，差模等效电路是左右对称的，所以可以应用奇偶模分析方法进行分析；在奇模状态下，差模等效电路的中间对称线是等效短路的，主传输线一半的左端连接变容二极管C_v1，而右端等效接地，整体等效为一个加载有变容二极管C_v1的四分之一波长谐振器，如图4所示，该等效四分之一波长谐振器的奇模谐振频率f_{dd_odd}可以通过C_v1调节；在偶模状态下，差模等效电路的中间对称线是等效开路的，主传输线一半的左端连接变容二极管C_v1，另一端连接到开路枝节微带线L_r2，紧接着开路枝节微带线的终端连接变容二极管C_v2，此时变容二极管的等效电容值为原来的一半，等效电路如图5所示，整体可以等效为一个两端加载不同变容二极管C_v1和C_v2等的二分之一波长谐振器，该等效谐振器的偶模谐振频率f_{dd_even}可以通过变容二极管C_v1和C_v2调节，即偶模谐振频率f_{dd_even}可以由变容二极管C_v2独立调节，并且不影响奇模谐振频率f_{dd_odd}，若由奇模谐振频率f_{dd_odd}和偶模谐振频率f_{dd_even}形成差模状态下的一个通带，则该通带的中心频率与带宽都是可以调节的。因此，在差模状态下，通带的中心频率可以由变容二极管C_v1和C_v2进行调节，而通带的带宽可以通过固定变容二极管C_v1，改变变容二极管C_v2进行调节。

当从输入/输出端口(Port1、Port1′，或者Port2、Port2′)输入共模信号时，对称面A-A′平面上磁场切向分量为零，形成一个磁隔离墙。这种情况下，对称面上等效开路，C_v1可以忽略，需要考虑中间加载的短开路枝节线L_r3，共模等效电路如图6所示，等效电路也呈现“T型”结构，包括一条主传输线2L_r1和一条中心加载的开路枝节微带线L_r2以及一条中心加载的短开路枝节微带线L_r3，两条开路枝节微带线通过一个变容二极管C_v2连接起来，共模等效电路是左右对称的，故也可以对其进行奇偶模分析；在奇模状态下，共模等效电路的中间线上是等效短路的，相当于一个传统的四分之一波长谐振器，如图7所示，其奇模谐振频率f_{cc_odd}与变容二极管C_v1和C_v2都无关，这样就可以将共模谐振频率与差模谐振频率分开，达到抑制共模的效果；在偶模状态下，共模等效电路的中间对称线是等效开路的，相当于一个二分之一波长谐振器，如图8所示，共模等效电路的偶模谐振频率f_{cc_even}只与变容二极管C_v2有关，与C_v1无关；

图9和图10分别给出了在不同C_v1和C_v2情况下，差模谐振频率和偶模谐振频率曲线，可以看出差模谐振频率在3GHz以下，而共模谐振频率在6GHz以上，并且基本保持不变。由于共模激励时的谐振频率远大于差模激励时的谐振频率，因此，该谐振器并不需要加入额外的集总元件，就能达到较好的共模抑制效果，便于加工。

通过以上分析可知，本发明通过实施一个新型多模谐振器，采用合适的馈电结构，实现了中心频率与带宽都可以电调的紧凑型平衡带通滤波器，通带和带外性能均良好。本发明所包含的是中心频率和带宽均可以电调的平衡带通滤波器的设计原理，所述设计结构可以是微带、同轴线或其他结构。

实施例2：

紧凑型可电调的平衡带通滤波器结构如图1所示，本实施例中使用的商业电磁仿真软件为安捷伦公司的AdvancedDesignSystem(ADS)。紧凑型可电调的平衡带通滤波器选择加工在介电常数2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切为0.0029的介质基板上，图1具体物理尺寸如下表1所示，固定电容C_s＝1.8pF，射频扼流圈和偏置电阻均选用阻值为100kΩ的电阻，变容二极管C_v1选用Skyworks公司的SMV1405-074型号的变容二极管，变容二极管C_v2选用Skyworks公司的SMV1234-079型号的变容二极管。

表1紧凑型可电调平衡带通滤波器尺寸

图11～图13分别是紧凑型可调平衡带通滤波器的和仿真曲线。传输特性曲线的横轴表示频率，而纵轴分别表示传输特性和和是指差模S参数，是指共模S参数，其中是差模的输入端口到输出端口的正向传输系数，是差模的输入端口回波损耗，是共模的输入端口到输出端口的正向传输系数；由图11和图12中可以看出，对于差模信号来说，该滤波器的中心频率可以从1.44GHz调节到2.5GHz，频率调节范围为53.8％，插入损耗在-2.8dB到-1.3dB之间，回波损耗大于15dB；图14～图15分别是固定通带的中心频率，通过C_v2调节通带带宽的仿真曲线，从图中可以看出，当中心频率固定在2.1GHz时，3dB带宽可以从122MHz调节到185MHz；而当中心频率固定在2.5GHz时，3dB带宽可以从105MHz调节到163MHz；从图13可以看出，共模抑制水平在整个调节调节范围为均大于27.5dB，具有较好的共模抑制水平，滤波器整体表现出较好的性能。

综上所述，本发明创新性的提出了紧凑型可电调的平衡带通滤波器，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抗干扰性，可以更好地满足现有的对环境噪声抑制要求较高的可重构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)

1.一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，包括上层的微带线结构、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一个多模谐振器和两对输入/输出馈电线，所述多模谐振器包括上下对称的第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和第二微带线均呈E型，第一微带线的两侧微带枝节线和中心微带枝节线朝下，第二微带线的两侧微带枝节线和中心微带枝节线朝上；所述第一微带线的左右两侧微带枝节线分别通过两个串联的变容二极管与第二微带线的左右两侧微带枝节线连接，第一微带线的中心微带枝节线也通过两个串联的变容二极管与第二微带线的中心微带枝节线连接。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线的左侧微带枝节线与第二微带线的左侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管的中心，以及第一微带线的右侧微带枝节线与第二微带线的右侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管的中心均通过一个偏置电阻接第一直流电压源。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线的中心微带枝节线与第二微带线的中心微带枝节线之间的两个串联的变容二极管的中心加载一段短微带枝节线。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述短微带枝节线通过一个偏置电阻接第二直流电压源。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线的中心微带枝节线上加载第一接地射频扼流圈，所述第二微带线的中心微带枝节线上加载第二接地射频扼流圈。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述两对输入/输出馈电线中，每对输入/输出馈电线有两段输入/输出馈电线，每段输入/输出馈电线均为“τ”形状的终端短路微带线，每段终端短路微带线的一端直接与50欧姆微带线连接，所述50欧姆微带线向外侧弯折45度，弯折部分作为输入/输出端口，特性阻抗为50欧姆。

7.根据权利要求6所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：每段终端短路微带线上加载一个固定电容，该固定电容用于调节外部品质因数。

8.根据权利要求6所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述金属通孔有四个，每个金属通孔对应一段终端短路微带线，且设置在终端短路微带线的另一端。

9.根据权利要求6所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述两对输入/输出馈电线中，一对输入/输出馈电线的两段输入/输出馈电线分别位于第一微带线外侧的左右两边，另一对输入/输出馈电线的两段输入/输出馈电线分别位于第二微带线外侧的左右两边。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种紧凑型可电调的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线的左侧微带枝节线与第二微带线的左侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管，以及第一微带线的右侧微带枝节线与第二微带线的右侧微带枝节线之间的两个串联的变容二极管均选用Skyworks公司的SMV1405-074型号的变容二极管；所述第一微带线的中心微带枝节线与第二微带线的中心微带枝节线之间的两个串联的变容二极管选用Skyworks公司的SMV1234-079型号的变容二极管。