CN105932378A - 一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽可控的平面可调带通‑带阻滤波器，主要由输入端口port1、输出端口port2、两个二分之一波长的开路谐振器，变容二极管，PIN二极管以及偏置直流电路等组成。通过控制PIN二极管可以便利地调节带通‑带阻特性的转换。通过调节变容管可以调节滤波器的中心频率。同时，通过调节谐振器两端变容管的电容值之比可以实现带宽可控的功能。本发明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、带宽可控、结构简单、尺寸小、成本低等优点。

Description

一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器

技术领域

本发明涉及高频器件的技术领域，尤其是指一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器。

背景技术

近年来，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。

可调滤波器在减小系统体积、复杂性、成本方面起着重要的作用，因为其能在一个结构上实现多个频率范围。而可调滤波器可分为以下三个种类：(1)频率可调；(2)带宽可调而频率固定；(3)带宽和频率都可调。

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。

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-and Four-Pole Tunable 0.7–1.1-GHz Bandpass-to-Bandstop Filters WithBandwidth Control"的文章，该文章中提及的滤波器利用RF MEMS开关实现带通-带阻特性的转换，并且可以实现中心频率的可调，同时，其带宽也可控。

2013年4月，William J.Chappell等在本技术领域顶级期刊"IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES"发表了“New BandstopFilter Circuit Topology and Its Application to Design of aBandstop-to-Bandpass Switchable Filter”，该文章中提及的滤波器也是通过RF MEMS开关实现带通滤波器和带阻滤波器的切换，但是其带宽不能可控。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，能灵活控制带通滤波器与带阻滤波器的切换，带通模式和带阻模式的中心频率可以很方便的调节，且带通模式的带宽可控，能够满足小型化、低成本、特性好的设计要求。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，包括输入端口、输出端口、具有二分之一波长的第一开路谐振器、具有二分之一波长的第二开路谐振器、第一PIN二极管、第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一控制直流电压、第二控制直流电压、第三控制直流电压、第四控制直流电压，该输入端口与输出端口对称设置，该第一开路谐振器与第二开路谐振器对称设置；所述第一开路谐振器由第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一变容管、第二变容管、第二PIN二极管以及依次相接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线构成，所述第二开路谐振器由第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第三变容管、第四变容管、第三PIN二极管以及依次相接的第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线构成；所述输入端口连接于第三微带线，所述第一变容管与第一微带线连接，所述第一控制直流电压经第一高频扼流圈连接于第一微带线，所述第一微带线与第二微带线之间通过第一电容连接，所述第三微带线与第四微带线之间通过第二电容连接，所述第一直流电源依次经第一电阻、第二高频扼流圈连接于第四微带线，所述第四微带线与第十三微带线之间连接有第一PIN二极管，所述第五微带线与第六微带线之间通过第三电容连接，所述第二直流电源依次经第二电阻、第三高频扼流圈连接于第六微带线，所述第六微带线与第七微带线之间通过第二PIN二极管连接，所述第七微带线连接有第四高频扼流圈，所述第七微带线与第八微带线之间通过第四电容连接，所述第二变容管与第八微带线连接，所述第二控制直流电压经第五高频扼流圈连接于第八微带线；所述第三变容管与第九微带线连接，所述第四控制直流电压经第七高频扼流圈连接于第九微带线，所述第九微带线与第十微带线之间通过第五电容连接，所述第十微带线连接有第八高频扼流圈，所述第十微带线与第十一微带线之间通过第三PIN二极管连接，所述第三直流电源依次经第三电阻、第九高频扼流圈连接于第十一微带线，所述第十一微带线与第十二微带线之间通过第六电容连接，第十三微带线与第十四微带线之间通过第七电容连接，所述第十三微带线连接有第十高频扼流圈，所述输出端口与第十四微带线连接，所述第十五微带线与第十六微带线之间通过第八电容连接，所述第三控制直流电压经第六高频扼流圈连接于第十六微带线，所述第四变容管与第十六微带线连接。

所述第一开路谐振器和第二开路谐振器的等效长度对应于带通滤波器工作频率对应的波长的二分之一。

所述第一变容管、第一微带线、第一电容、第二微带线构成具有四分之一波长的开路谐振器，所述第四变容管、十六微带线、第八电容、十五微带线构成具有四分之一波长的开路谐振器，其等效长度为带阻滤波器工作频率对应的波长的四分之一。

所述输入端口由第十七微带线和第十八微带线构成，所述第十八微带线的一端与第十七微带线连接，另一端与第三微带线连接。

所述输出端口由第十九微带线和第二十微带线构成，所述第十九微带线的一端与第二十微带线连接，另一端与第十四微带线连接。

所述输入端口、输出端口均为50欧姆的匹配阻抗。

所述第一电阻、第二电阻、第三电阻均为10k阻值的电阻。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

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、带通模式中心频率可以很方便地调节，其可调节范围为805MHz-1032MHz，且其带宽可控，在900MHz时，插入损耗|S₂₁|的3dB测试带宽大小为92-166MHz；在1000MHz时，插入损耗|S₂₁|的3dB测试带宽大小为52-85MHz。

3、带阻模式中心频率可以很方便地大范围调节，其可调节范围为760-1228MHz。

4、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为本发明的平面可调带通-带阻滤波器制作在双面覆铜微带板上的结构示意图。

图2为图1所示滤波器的原理图。

图3a为ADS(Advanced Design System)仿真下带通滤波器的耦合系数曲线变化图。

图3b为ADS(Advanced Design System)仿真下带通滤波器的外部品质因素曲线变化图。

图4为本发明所使用的变容二极管的ADS模型。

图5a为带通滤波器的回波损耗(|S₁₁|)仿真与测试结果。

图5b为带通滤波器的插入损耗(|S₂₁|)仿真与测试结果。

图6a为带阻滤波器的回波损耗(|S₁₁|)仿真与测试结果。

图6b为带阻滤波器的插入损耗(|S₂₁|)仿真与测试结果。

图7a为带通模式下中心频率在900MHz的带宽可控测试结果。

图7b为带通模式下中心频率在1000MHz的带宽可控测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器的核心内容是通过控制PIN二极管两端电压，控制其处于导通或者隔离状态，进行带通滤波器和带阻滤波器传输特性的转换，带通滤波器主要由两个二分之一开路波长谐振器组成；带阻滤波器主要由两个典型的四分之一开路谐振器组成。通过控制各个变容管两端的电压实现中心频率的调节，而通过调节二分之一波长开路枝节两端变容管的电容值之比控制带宽。

如图1所示，所述的平面可调带通-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，微带板的另外一面是覆铜接地板，该平面可调带通-带阻滤波器包括输入端口port1、输出端口port2、具有二分之一波长的第一开路谐振器、具有二分之一波长的第二开路谐振器、第一PIN二极管24、第一直流电源23、第二直流电源26、第三直流电源52、第一电阻22、第二电阻25、第三电阻53、第一控制直流电压20、第二控制直流电压30、第三控制直流电压46、第四控制直流电压48，该输入端口port1与输出端口port2对称设置，该第一开路谐振器与第二开路谐振器对称设置；所述第一开路谐振器由第一电容6、第二电容9、第三电容12、第四电容16、第一变容管4、第二变容管18、第二PIN二极管14以及依次相接的第一微带线5、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线10、第五微带线11、第六微带线13、第七微带线15、第八微带线17构成，所述第二开路谐振器由第五电容33、第六电容37、第七电容40、第八电容43、第三变容管31、第四变容管45、第三PIN二极管35以及依次相接的第九微带线32、第十微带线34、第十一微带线36、第十二微带线38、第十三微带线39、第十四微带线41、第十五微带线42、第十六微带线44构成；所述输入端口port1连接于第三微带线8，所述第一变容管4与第一微带线5连接，所述第一控制直流电压20经第一高频扼流圈19连接于第一微带线5，所述第一微带线5与第二微带线7之间通过第一电容6连接，所述第三微带线8与第四微带线10之间通过第二电容9连接，所述第一直流电源23依次经第一电阻22、第二高频扼流圈21连接于第四微带线10，所述第四微带线10与第十三微带线39之间连接有第一PIN二极管24，所述第五微带线11与第六微带线13之间通过第三电容12连接，所述第二直流电源26依次经第二电阻25、第三高频扼流圈27连接于第六微带线13，所述第六微带线13与第七微带线15之间通过第二PIN二极管14连接，所述第七微带线15连接有第四高频扼流圈28，所述第七微带线15与第八微带线17之间通过第四电容16连接，所述第二变容管18与第八微带线17连接，所述第二控制直流电压30经第五高频扼流圈29连接于第八微带线17；所述第三变容管31与第九微带线32连接，所述第四控制直流电压48经第七高频扼流圈49连接于第九微带线32，所述第九微带线32与第十微带线34之间通过第五电容33连接，所述第十微带线34连接有第八高频扼流圈50，所述第十微带线34与第十一微带线36之间通过第三PIN二极管35连接，所述第三直流电源52依次经第三电阻53、第九高频扼流圈51连接于第十一微带线36，所述第十一微带线36与第十二微带线38之间通过第六电容37连接，第十三微带线39与第十四微带线41之间通过第七电容40连接，所述第十三微带线39连接有第十高频扼流圈54，所述输出端口port2与第十四微带线41连接，所述第十五微带线42与第十六微带线44之间通过第八电容43连接，所述第三控制直流电压46经第六高频扼流圈47连接于第十六微带线44，所述第四变容管45与第十六微带线44连接。所述输入端口port1由第十七微带线2和第十八微带线3构成，所述第十八微带线3的一端与第十七微带线2连接，另一端与第三微带线8连接。所述输出端口port2由第十九微带线55和第二十微带线1构成，所述第十九微带线55的一端与第二十微带线1连接，另一端与第十四微带线41连接。所述输入端口port1、输出端口port2均为50欧姆的匹配阻抗。所述第一电阻22、第二电阻25、第三电阻53均为10k阻值的电阻，用于限制PIN管上的电流大小以保护PIN二极管不被烧坏。可以通过控制PIN二极管的偏置直流电源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，当其两端压降为零时，PIN二极管处于隔离状态，故当第二直流电源26和第三直流电源52的电压等于5V且第一直流电源23等于0V时，滤波器处于带通模式，当第二直流电源26和第三直流电源52的电压等于0V且第一直流电源23等于5V时，滤波器处于带阻模式，此时第一变容管4、第一微带线5、第一电容6、第二微带线7和第十五微带线42、第八电容43、第十六微带线44、第四变容管45构成带阻滤波器的两个四分之一波长开路谐振器。第一控制直流电压20、第二控制直流电压30、第三控制直流电压46、第四控制直流电压48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，进一步，通过控制第一控制直流电压20、第二控制直流电压30、第三控制直流电压46、第四控制直流电压48的电压大小，控制第一变容管4与第二变容管18，第四变容管45与第三变容管31的容值比的大小，从而实现在带通模式下带宽可控的功能。第一电容6、第二电容9、第三电容12、第四电容16、第五电容33、第六电容37、第七电容40、第八电容43都为隔直电容，隔离直流电压直接的互相干扰或者影响端口外的电路。第一高频扼流圈19、第二高频扼流圈21、第三高频扼流圈27、第四高频扼流圈28、第五高频扼流圈29、第六高频扼流圈47、第七高频扼流圈49、第八高频扼流圈50、第九高频扼流圈51、第十高频扼流圈54用于防止射频信号对直流电源的影响。

参见图2，由图2可以知道从端口看进去的总奇模输入阻抗和偶模输入阻抗为

$Y_{in\_o,e}={\mathrm{jY}}_1\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{C}_{v1}+Y_1\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_1}{v_p}\right)}{Y_1-{\mathrm{\ω}}_{o,e}{C}_{v1}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_1}{v_p}\right)}+Y_1\frac{Y_{Lo,e}+{\mathrm{jY}}_1\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_2}{v_p}\right)}{Y_1+{\mathrm{jY}}_{Lo,e}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_2}{v_p}\right)}---\left(1\right)$

其中v_p为相速度。Y_Lo,e为分别从点A看去的奇模输入阻抗和偶模输入阻抗。故

$Y_{Lo,e}=Y_{1o,e}\frac{Y_{Lo,e}^{\′}+{\mathrm{jY}}_{1o,e}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_3}{v_p}\right)}{Y_{1o,e}+{\mathrm{jY}}_{Lo,e}^{\′}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_3}{v_p}\right)}---\left(2\right)$

其中Y’_Lo,e为分别从点B看去的奇模输入阻抗和偶模输入阻抗。故

$Y_{Lo,e}^{\′}-{\mathrm{jY}}_{2o,e}\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{C}_{v2}+Y_{2o,e}tan\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_4}{v_p}\right)}{Y_{2o,e}-{\mathrm{\ω}}_{o,e}{C}_{v2}tan\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,e}{L}_4}{v_p}\right)}---\left(3\right)$

由谐振条件可以得到

Im(Y_in-o)＝Im(Y_in-e)＝0 (4)

由公式(1)-(4)可以得到带通滤波器的中心频率可以通过调节C_v1和C_v2进行调节。

而通过ADS仿真可以得到带通滤波器的耦合系数(k)和外部品质因素(Q_e)可以通过调节C_v2/C_v1进行控制如图3a和3b所示。

图3a和3b通过仿真得到不同C_v2/C_v1下的：(a)耦合系数(k)和(b)外部品质因素(Q_e)。故通过调节第一控制直流电压20、第二控制直流电压30、第三控制直流电压46、第四控制直流电压48就可以得到频率可调，带宽可控的带通滤波器。

图4是使用的变容二极管的ADS模型，本实施例具体使用的是SMV 1405(CV＝2.67-0.63pF,Rs＝0.80Ω,Cp＝0.29pF,Ls＝0.7nH)。

图5a显示了第一直流电源23为0V，第二直流电源26和第三直流电源52为5V时，即第一PIN二极管24隔离，第二PIN二极管14和第三PIN二极管35导通时滤波器的散射参数仿真与测试结果，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5b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805MHz-1032MHz(24.7％)，且其回波损耗都超过10dB，性能优良。

图6a和6b显示了第一直流电源23为5V，第二直流电源26和第三直流电源52为0V时，即第一PIN二极管24导通，第二PIN二极管14和第三PIN二极管35隔离时滤波器的散射参数仿真与测试结果，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760MHz-1228MHz(47.1％)，且其抑制度都超过40dB，性能优良。

图7a和7b展示的是带通模式下中心频率在900MHz和1000MHz时的带宽可控测试结果。可以发现，测试的|S₂₁|3dB带宽范围在900MHz为92-166MHz，在1000MHz为52-85MHz。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，其特征在于：包括输入端口、输出端口、具有二分之一波长的第一开路谐振器、具有二分之一波长的第二开路谐振器、第一PIN二极管、第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一控制直流电压、第二控制直流电压、第三控制直流电压、第四控制直流电压，该输入端口与输出端口对称设置，该第一开路谐振器与第二开路谐振器对称设置；所述第一开路谐振器由第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一变容管、第二变容管、第二PIN二极管以及依次相接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线构成，所述第二开路谐振器由第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第三变容管、第四变容管、第三PIN二极管以及依次相接的第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线构成；所述输入端口连接于第三微带线，所述第一变容管与第一微带线连接，所述第一控制直流电压经第一高频扼流圈连接于第一微带线，所述第一微带线与第二微带线之间通过第一电容连接，所述第三微带线与第四微带线之间通过第二电容连接，所述第一直流电源依次经第一电阻、第二高频扼流圈连接于第四微带线，所述第四微带线与第十三微带线之间连接有第一PIN二极管，所述第五微带线与第六微带线之间通过第三电容连接，所述第二直流电源依次经第二电阻、第三高频扼流圈连接于第六微带线，所述第六微带线与第七微带线之间通过第二PIN二极管连接，所述第七微带线连接有第四高频扼流圈，所述第七微带线与第八微带线之间通过第四电容连接，所述第二变容管与第八微带线连接，所述第二控制直流电压经第五高频扼流圈连接于第八微带线；所述第三变容管与第九微带线连接，所述第四控制直流电压经第七高频扼流圈连接于第九微带线，所述第九微带线与第十微带线之间通过第五电容连接，所述第十微带线连接有第八高频扼流圈，所述第十微带线与第十一微带线之间通过第三PIN二极管连接，所述第三直流电源依次经第三电阻、第九高频扼流圈连接于第十一微带线，所述第十一微带线与第十二微带线之间通过第六电容连接，第十三微带线与第十四微带线之间通过第七电容连接，所述第十三微带线连接有第十高频扼流圈，所述输出端口与第十四微带线连接，所述第十五微带线与第十六微带线之间通过第八电容连接，所述第三控制直流电压经第六高频扼流圈连接于第十六微带线，所述第四变容管与第十六微带线连接。

2.根据权利要求1所述的一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，其特征在于：所述第一开路谐振器和第二开路谐振器的等效长度对应于带通滤波器工作频率对应的波长的二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，其特征在于：所述第一变容管、第一微带线、第一电容、第二微带线构成具有四分之一波长的开路谐振器，所述第四变容管、十六微带线、第八电容、十五微带线构成具有四分之一波长的开路谐振器，其等效长度为带阻滤波器工作频率对应的波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，其特征在于：所述输入端口由第十七微带线和第十八微带线构成，所述第十八微带线的一端与第十七微带线连接，另一端与第三微带线连接。

5.根据权利要求1所述的一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，其特征在于：所述输出端口由第十九微带线和第二十微带线构成，所述第十九微带线的一端与第二十微带线连接，另一端与第十四微带线连接。

6.根据权利要求1所述的一种带宽可控的平面可调带通-带阻滤波器，其特征在于：所述第一电阻、第二电阻、第三电阻均为10k阻值的电阻。