CN105720339A - 一种双频可调带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频可调带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属板以及金属通孔，所述微带线结构包括一个多模谐振器和一对输入/输出馈电线，所述多模谐振器包括两个左右对称的开口环谐振器，每个开口环谐振器的开口处通过一组串联的变容二极管连接，两个开口环谐振器的中心通过一组串联的变容二极管连接，该组变容二极管的中间加载了一段末端有变容二极管加载的短开路枝节微带线，所述开口环谐振器之间引入了额外的枝节耦合，所述输入/输出馈电线为一端短路、另一端开路的微带线。本发明的两个通带是独立可调的，并且带宽也是可控的，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。

Description

一种双频可调带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种带通滤波器，尤其是一种应用于双频可重构射频前端系统的双频可调带通滤波器，属于微波通信技术领域。
背景技术
在现代无线通信系统的飞速发展过程中，对能够兼容多个频段实现多个业务的系统需求量越来越大。而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、成本低以及灵活性等优势，日益受到重视。因此，同时兼容多个频段，带宽可控，并且中心频率可以灵活调节的带通滤波器更具吸引力，对双频可调带通滤波器的研究具有重大的意义。
单频段可调滤波器当前已得到了广泛的研究，而有关双频可调带通滤波器的报道却很少，因为双频可调带通滤波器的设计难度较大。但是，双频可调带通滤波器具有较高的灵活性以及能够很好的兼容多个频段，这引起了研究者的注意。目前，也提出了一些设计方法：
2008年，X.-Y.Zhang等人在IEEETransactiononMTT上发表的“Novelcentrallyloadedresonatorsandtheirapplicationstobandpassfilters”，提出了基于中心加载变容二极管的开口环谐振器的双频可调滤波器的设计方法，其利用的变容二极管只影响偶模，不影响奇模的特性。该滤波器关注的是高通带可调，而低通带是固定不变。
2012年，G.Chaudhary等人在IEEETransactiononMTT上发表的“Harmonicsuppressiondual-bandfilterwithtunablepassbands”，提出了一个双频可调滤波器，相较于前者，不仅在微带线的中心加载变容二极管，同时在微带线的两端也分别加载了一个相同的二极管，实现了双通带可调。但是，低通带的中心频率在调节过程中会影响高通带。
2013年，G.Chaudhary等人在IEEETransactiononMTT上发表的“Dual-bandbandpassfilterwithindependentlytunablecenterfrequenciesandbandwidth”，利用两组双模谐振器，实现了双通带的中心频率可调与带宽可控的带通滤波器，但是由于采用了组合谐振器，滤波器的尺寸较大。
综上所述，已发表的文章或专利多涉及单频段可调带通滤波器，有关双频可调带通滤波器的报道较少，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通带的中心频率可控的，也要求滤波器的带宽也是可控。目前已发表的文章或者专利涉及带宽可控的双频可调带通滤波器较少。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。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种双频可调带通滤波器，该滤波器的两个通带是独立可调的，并且带宽也是可控的，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。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种双频可调带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属板以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和接地金属板，使微带线结构与接地金属板之间通过介质基板连接，所述微带线结构包括一个多模谐振器和一对输入/输出馈电线，所述多模谐振器包括两个左右对称的开口环谐振器，每个开口环谐振器的开口处通过一组串联的变容二极管连接，两个开口环谐振器的中心通过一组串联的变容二极管连接。
作为一种优选方案，所述每个开口环谐振器开口处的一组串联的变容二极管中间通过一个偏置电阻接第一直流电压源。
作为一种优选方案，所述两个开口环谐振器的中心所连接的一组串联的变容二极管中间加载一段短开路枝节微带线，所述短开路枝节微带线的末端加载一个变容二极管。
作为一种优选方案，所述短开路枝节微带线的前端通过一个偏置电阻接第二直流电压源。
作为一种优选方案，所述短开路枝节微带线的末端与短开路枝节微带线末端加载的变容二极管之间串接一个固定电容。
作为一种优选方案，所述短开路枝节微带线末端加载的变容二极管与固定电容之间通过一个偏置电阻接第三直流电压源。
作为一种优选方案，所述每个开口环谐振器的开口处的变容二极管选用Skyworks公司的SMV1405-074型号的变容二极管；所述两个开口环谐振器的中心的一组串联的变容二极管均选用Skyworks公司的SMV1405-079LF型号的变容二极管；所述短开路枝节微带线的末端加载的变容二极管选用Skyworks公司的SMV1413-079LF型号的变容二极管。
作为一种优选方案，所述每个开口环谐振器都加载一个接地射频扼流圈。
作为一种优选方案，所述一对输入/输出馈电线具有两段输入/输出馈电线，两段输入/输出馈电线分别为第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电线，所述第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电线均为一端短路、另一端开路的微带线，第一输入/输出馈电线的短路端位于左边的开口环谐振器上方，开路端位于左边的开口环谐振器下方，第二输入/输出馈电线的短路端位于右边的开口环谐振器上方，开路端位于右边的开口环谐振器下方。
作为一种优选方案，所述第一输入/输出馈电线连接第一50欧姆微带线，所述第二输入/输出馈电线连接第二50欧姆微带线，所述第一50欧姆微带线的左端作为输入/输出端口，右端搭在第一输入/输出馈电线上，所述第二50欧姆微带线的右端作为输入/输出端口，左端搭在第二输入/输出馈电线上。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明通过两个开口环谐振器以及多个加载的变容二极管构成一个多模谐振器，并通过一个多模谐振器实现了两个通带的中心频率独立可调，带宽可控的双频可调带通滤波器，解决了现有技术多涉及可重构单频带通滤波器，涉及应用于双频系统的双频可调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。
2、本发明设计的双频可调带通滤波器，仅仅是利用了一个多模单谐振器，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。
附图说明
图1为本发明实施例1的三模谐振器结构示意图。
图2为本发明实施例1的三模谐振器的奇模等效电路图。
图3为图2电路的奇模等效电路图。
图4为图2电路的偶模等效电路图。
图5为本发明实施例1的三模谐振器的偶模等效电路图。
图6为图5电路的奇模等效电路图。
图7为图5电路的偶模等效电路图。
图8为本发明实施例2的四模谐振器结构示意图。
图9为本发明实施例3的双频可调带通滤波器结构示意图。
图10为本发明实施例4的双频可调带通滤波器高通带固定，低通带可调的S11仿真曲线图。
图11为本发明实施例4的双频可调带通滤波器高通带固定，低通带可调的S21仿真曲线图。
图12为本发明实施例4的双频可调带通滤波器低通带固定，高通带可调的S11仿真曲线图。
图13为本发明实施例4的双频可调带通滤波器低通带固定，高通带可调的S21仿真曲线图。
其中，1-微带线结构，2-第一开口环谐振器，3-第二开口环谐振器，4-接地射频扼流圈，5-短开路枝节微带线，6-第一输入/输出馈电线，7-第二输入/输出馈电线，8-第一50欧姆微带线，9-第二50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，本实施例提出了一种三模谐振器，该三模谐振器包括两个背向设置的开口环谐振器，两个开口环谐振器分别为第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器3，所述第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器3的开口处分别被一个变容二极管CV1连接起来；紧接着用一组串联的变容二极管CV2将第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器3的中心连接起来，在该组串联的变容二极管CV2中间加载一段短开路枝节微带线5，并且在该短开路枝节微带线5的末端加载一个变容二极管CV3；
所述三模谐振器整体呈现左右对称结构，因此，可以采用奇偶模分析方法对谐振器进行分析，图2所示为三模谐振器的奇模等效电路，该等效电路包括一个开口处由变容二极管CV1连接的开口环谐振器，以及一个加载在开口环中心的变容二极管CV2，可以看出，图2所示电路是上下对称的，因此可以再做一次奇偶模分析；在奇模状态下，图2所示电路中间等效接地，等效电路如图3所示，开口环的一半一端短路接地，另一端接变容二极管CV1，此时的接变容二极管CV1等效电容为原来的2倍，整体等效为一个一端加载有变容二极管CV1的终端短路的四分之一波长谐振器，谐振频率fodd可以由变容管CV1的偏置电压进行独立调节，并且不受变容二极管CV2和CV3的影响；在偶模状态下，图2所示电路中间等效开路，等效电路如图4所示，开口环的一半一端开路，一端连接到变容二极管CV2，此时变容二极管CV2的等效电容值为原来的一半，整体等效为一个一端加载有变容二极管CV2的半波长谐振器，谐振频率feven1可以由变容二极管CV2的偏置电压进行独立调节，并且不受变容二极管CV1和CV3的影响。
图5所示为三模谐振器的偶模等效电路，该等效电路包括一个开口处被变容二极管CV1连接起来的开口环谐振器，开口环谐振器的中心点连接到一个变容二极管CV2，紧接着变容二极管CV2连接到一段开路微带线，开路微带线的末端加载了一个变容二极管CV3；同样的，该等效电路由于是上下对称的，所以可以进一步采用奇偶模分析方法进行分析，图6和图7分别为图5电路的奇模和偶模等效电路，可以看出，图6和图7中的电路是完全一致的，因此谐振频率也是一样的，图7所示电路等效为一个具有不同变容管加载的二分之一波长谐振器，谐振频率feven2可以通过CV2和CV3调节。
实施例2：
根据“L.GaoandX.Y.Zhang，″High-selectivitydual-bandbandpassfilterusingaquad-moderesonatorwithsorce-loadingcoupling″，IEEEMicrow.WirelessCompon.Lett.，vol.23，no.9，pp.474-476，Sep.2013.”的分析，通过增加枝节与枝节之间的耦合，能将一个谐振模式分裂成两个模式，并且分裂出来的两个模式在该谐振模式附近，两个模式之间的耦合系数可以通过耦合部分进行调节；本实施例将实施例1提出的三模谐振器中两个开口环谐振器的进行部分耦合，如图8所示，其中θr1＝θstud1+θstud2；通过前面的分析可知，相比图1中的谐振器，图8中的谐振器不仅多出了一个谐振模式，形成了一个四模谐振器，并且能够减小谐振器的尺寸，有利于滤波器的小型化。
实施例3：
如图9所示，本实施例的双频可调带通滤波器是基于实施例2的四模谐振器实现的，包括上层的微带线结构1、中层的介质基板(图中未示出)、下层的接地金属板(图中未示出)以及金属通孔(图中未示出)，微带线结构1和接地金属板都附着在介质基板上，所述金属通孔依次贯穿微带线结构1、介质基板和接地金属板，使微带线结构1与接地金属板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一对输入/输出馈电线，整个微带线结构1呈现左右对称；
所述多模谐振器包括两个开口环谐振器，两个开口环谐振器分别为第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器3，第一开口环谐振器2与第二开口环谐振器3左右对称，第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器3的开口处分别通过一组(两个)串联的变容二极管CV1连接，第一开口环谐振器2与第二开口环谐振器3的中心通过一组(两个)串联的变容二极管CV2连接，所述第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器3都加载一个接地射频扼流圈4，接地射频扼流圈4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；
所述第一开口环谐振器2开口处的一组串联的变容二极管CV1中间，以及第二开口环谐振器3开口处的一组串联的变容二极管CV1中间均通过一个偏置电阻接第一直流电压源VCC1，第一直流电压源VCC1可以为变容二极管CV1提供偏置电压，同时该偏置电阻也起到射频扼流的作用；
所述第一开口环谐振器2与第二开口环谐振器3的中心所连接的一组串联的变容二极管CV2中间加载一段短开路枝节微带线5；所述短开路枝节微带线5的前端通过一个偏置电阻接第二直流电压源VCC2，第二直流电压源VCC2可以为变容二极管CV2提供偏置电压，同时该偏置电阻也起到射频扼流的作用；所述短开路枝节微带线5的末端加载一个变容二极管CV3；所述短开路枝节微带线5的末端与变容二极管CV3之间串接一个固定电容Cdc，固定电容Cdc起隔直作用；变容二极管CV3与固定电容Cdc之间通过一个偏置电阻接第三直流电压源VCC3，第三直流电压源VCC3可以为变容二极管CV3提供偏置电压，同时该偏置电阻也起到射频扼流的作用；
所述一对输入/输出馈电线具有两段输入/输出馈电线，两段输入/输出馈电线分别为第一输入/输出馈电线6和第二输入/输出馈电线7，所述第一输入/输出馈电线6和第二输入/输出馈电线7均为一端短路、另一端开路的微带线，第一输入/输出馈电线6的短路端位于第一开口环谐振器2上方，开路端位于第一开口环谐振器2下方，第二输入/输出馈电线7的短路端位于第二开口环谐振器3上方，开路端位于第二开口环谐振器3下方；所述第一输入/输出馈电线6连接第一50欧姆微带线8，所述第二输入/输出馈电线7连接第二50欧姆微带线9，所述第一50欧姆微带线8的左端作为输入/输出端口，右端搭在第一输入/输出馈电线6上，所述第二50欧姆微带线9的右端作为输入/输出端口，左端搭在第二输入/输出馈电线7上；第一50欧姆微带线8和第二50欧姆微带线9放置的位置可以调节滤波器的外部耦合系数；
本实施例的滤波器的低通带由图3中的等效四分之一波长谐振器的谐振频率fodd形成，因此，低通带的中心频率可以由变容二极管CV1的偏置电压VCC1进行调节。由于引入了枝节耦合，fodd分裂形成了两个模式，所以低通带的耦合系数可由耦合部分(耦合长度θstua1以及耦合间隙G)进行控制。高通带的两个模式分别由图4和图7的等效二分之一波长谐振电路的谐振频率feven1和feven2形成，因此，高通带的中心频率可以由变容二极管CV2的偏置电压(第二直流电压源VCC2为变容二极管CV2提供偏置电压)和变容二极管CV3的偏置电压(第三直流电压源VCC3为变容二极管CV3提供偏置电压)进行调节；由于通带的带宽与两个模式之间的间距成一定的比例关系，并且变容二极管CV3只影响谐振频率feven2，所以高通带的带宽可以通过变容二极管CV3的偏置电压进行控制。综上，滤波器的两个通带的中心频率是独立可调的，带宽也是可控的。
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，实现了两个通带的中心频率独立可调，并且带宽可控的双频带通滤波器，通带和带外性能均良好。本发明所包含的是具有两个通带的中心频率独立可电调，带宽可控的双频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4：
双频可调带通滤波器的结构如图9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)。双频可调带通滤波器选择加工在介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切为0.0029的介质基板上，图9所示滤波器结构的具体物理尺寸如下表1所示，变容二极管CV3前面串接的固定电容Cdc起隔直作用，在本实施例中固定电容Cdc选用村田公司的产品，Cdc＝2.2pF；变容二极管CV1选用Skyworks公司的SMV1405-074型号的变容二极管，变容二极管CV2选用Skyworks公司的SMV1405-079LF型号的变容二极管，变容二极管CV3选用Skyworks公司的SMV1413-079LF型号的变容二极管。
表1双频可调带通滤波器尺寸
图10～图13分别为双频可调带通滤波器的仿真曲线。图10和图11所示的，分别为高通带固定，低通带可调的S11(S11表示输入端口的回波损耗)和S21(S21表示输入端口到输出端口的正向传输系数)仿真曲线，可以看出，高通带的中心频率固定在2.4GHz处，低通带的中心频率可以由1.1GHz调节到1.4GHz，相对可调范围为24％，插入损耗为1.95-1.5dB，回波损耗大于11dB，低通带的3dB绝对带宽为70±2MHz；图12和图13所示的，分别为低通带固定，高通带可调的S11和S21仿真曲线，可以看出，低通带的的中心频率固定在1.3GHz处，高通带的中心频率可以从2.2GHz调节到2.65GHz，相对调节范围为18.5％，插入损耗为1.5dB-2.3dB，回波损耗大于15dB，高通带的3dB绝对带宽为113±2MHz；在频率调节过程中，通带之间的隔离度保持在40dB以上。从图11和图13可以看出，有四个传输零点形成，并且有些传输零点随着频率的移动而移动，保持较好的带外选择性，其中零点TZ2和TZ4是由多路径产生，可从图11和图13看出，无论是调节低通带或者高通带，它们都在变化，零点TZ1是由奇模产生，随着低通带中心频率的变化而变化，零点TZ3是由偶模产生，随着高通带中心频率的变化而变化，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双频独立可调带通滤波器，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，两个通带不仅中心频率独立可调，其带宽也是可控的，更具灵活性，可以更好地满足现有的双频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)

1.一种双频可调带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属板以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和接地金属板，使微带线结构与接地金属板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一对输入/输出馈电线，所述多模谐振器包括两个左右对称的开口环谐振器，每个开口环谐振器的开口处通过一组串联的变容二极管连接，两个开口环谐振器的中心通过一组串联的变容二极管连接。
2.根据权利要求1所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述每个开口环谐振器开口处的一组串联的变容二极管中间通过一个偏置电阻接第一直流电压源。
3.根据权利要求1所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述两个开口环谐振器的中心所连接的一组串联的变容二极管中间加载一段短开路枝节微带线，所述短开路枝节微带线的末端加载一个变容二极管。
4.根据权利要求3所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述短开路枝节微带线的前端通过一个偏置电阻接第二直流电压源。
5.根据权利要求3所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述短开路枝节微带线的末端与短开路枝节微带线末端加载的变容二极管之间串接一个固定电容。
6.根据权利要求5所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述短开路枝节微带线末端加载的变容二极管与固定电容之间通过一个偏置电阻接第三直流电压源。
7.根据权利要求3-6任一项所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述每个开口环谐振器的开口处的变容二极管选用Skyworks公司的SMV1405-074型号的变容二极管；所述两个开口环谐振器的中心的一组串联的变容二极管均选用Skyworks公司的SMV1405-079LF型号的变容二极管；所述短开路枝节微带线的末端加载的变容二极管选用Skyworks公司的SMV1413-079LF型号的变容二极管。
8.根据权利要求1所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述每个开口环谐振器都加载一个接地射频扼流圈。
9.根据权利要求1所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述一对输入/输出馈电线具有两段输入/输出馈电线，两段输入/输出馈电线分别为第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电线，所述第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电线均为一端短路、另一端开路的微带线，第一输入/输出馈电线的短路端位于左边的开口环谐振器上方，开路端位于左边的开口环谐振器下方，第二输入/输出馈电线的短路端位于右边的开口环谐振器上方，开路端位于右边的开口环谐振器下方。
10.根据权利要求9所述的一种双频可调带通滤波器，其特征在于：所述第一输入/输出馈电线连接第一50欧姆微带线，所述第二输入/输出馈电线连接第二50欧姆微带线，所述第一50欧姆微带线的左端作为输入/输出端口，右端搭在第一输入/输出馈电线上，所述第二50欧姆微带线的右端作为输入/输出端口，左端搭在第二输入/输出馈电线上。
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