CN106207331A - 基于零阶谐振器的高性能可调滤波器 - Google Patents

基于零阶谐振器的高性能可调滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于零阶谐振器的高性能可调滤波器。该可调滤波器包括上层微带结构,中间层介质板和下层接地金属,上层微带结构包括两条端口馈线、两个隔直电容和一对零阶谐振单元。其中每个零阶谐振单元由交趾型电容和高阻抗线电感组成,三个变容二极管分别嵌在交趾型电容每对交趾的右侧趾间,用于调节滤波器的中心频率。该可调滤波器具有尺寸小、损耗低、带内匹配良好、选择性好等方面的优势,该可调滤波器结构设计简单,电性能良好,易于实现电路集成与系统封装。

Description

基于零阶谐振器的高性能可调滤波器
技术领域
本发明涉及一种基于变容二极管的射频电可调滤波器,具体涉及一种尺寸小、损耗低、带内匹配良好、选择性好的可调滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展,高性能、高可靠性、小型化、低成本已成为无线通信设备的基本要求。滤波器作为微波器件中的关键器件,用来分离不同的微波信号,其性能的好坏直接影响着整个通信系统的质量。可调滤波器作为滤波器中的一种重要类型,现已广泛应用于民用通信和军事应用中,以充分利用通信系统中有限的频谱资源。由于基于变容二极管的电可调滤波器在调谐速度及成本等方面具有显著优势,因而成为了可调滤波器中的研究热点。因此,设计出高性能、小型化的基于变容二极管的可调滤波器,对于无线通信系统具有十分重要的意义。
目前,基于变容二极管的可调滤波器多为环形谐振器加载变容二极管、阶跃阻抗谐振器加载变容二极管或开/短路支节加载变容二极管的形式,但这些可调滤波器普遍存在着如下缺点:(1)电路复杂,体积较大,主要表现在:所需的集总元件、直流电源多,这必然会引入额外的寄生效应,设计及调试难度也会相应增加;(2)在调节中心频率时,不能保持稳定的滤波特性,其主要表现为:插入损耗大,带内匹配度不好,带外抑制度不够。
由此可看出,现阶段的可调滤波器尺寸较大,滤波特性不稳定,不利于实际的工程应用,同时也增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,该可调滤波器具有尺寸小、损耗低、带内匹配良好、选择性好等方面的优势。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,包括上层微带结构,中间层介质板和下层接地金属;上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面,接地金属附着在中间层介质基板的下表面;该可调滤波器的第一端口和第二端口位于介质基板的上层,两条相同的端口馈线分别与对应的两个端口相连,这两条端口馈线分别为第一端口馈线和第二端口馈线;
第一零阶谐振器位于第一端口馈线的右侧,所述第一零阶谐振器包括第一交趾型电容、第一高阻抗线电感和变容二极管;第一高阻抗线电感的两端与第一交趾型电容的两端相连;变容二极管嵌在第一交趾型电容交趾的右侧趾间;
第二零阶谐振器位于第二端口馈线的右侧,第二零阶谐振器和第一零阶谐振器关于第一零阶谐振器和第二零阶谐振器的水平中轴线镜像对称;所述第二零阶谐振器与第一零阶谐振器结构相同,包括第二交趾型电容、第二高阻抗线电感和变容二极管;第二高阻抗线电感的两端与第二交趾型电容的两端相连;变容二极管嵌在第二交趾型电容交趾的右侧趾间;
所述第一端口馈线和第二端口馈线关于第一零阶谐振器和第二零阶谐振器的水平中轴线镜像对称;
第一隔直电容嵌在第一端口馈线和第一零阶谐振器之间,第二隔直电容嵌在第二端口馈线和第二零阶谐振器之间。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)本发明公开的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,和其他类型的可调滤波器相比,尺寸明显减小,且其尺寸仅为0.08λg×0.04λg,其中λg为介质基板在滤波器最低可调频率处的有效波长;2)本发明公开的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,在整个调谐范围内,插入损耗在0.31dB~0.93dB之间,和其他类型的可调滤波器相比,是一种低损耗的可调滤波器;3)本发明公开的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,在整个调谐范围内,回波损耗在20dB~25dB之间,带内匹配度良好,上阻带抑制度在20dB以上;4)本发明公开的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,在通带两边各有一个传输零点,具有较高的选择性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1a是本发明基于零阶谐振器的高性能可调滤波器的原理图。
图1b是零阶谐振器的原理图。
图2a是基于零阶谐振器的高性能可调滤波器的回波损耗曲线。
图2b是基于零阶谐振器的高性能可调滤波器的传输特性曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,包括上层微带结构,中间层介质板和下层接地金属;上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面,接地金属附着在中间层介质基板的下表面;该可调滤波器的第一端口P1和第二端口P2位于介质基板的上层,两条相同的端口馈线分别与对应的两个端口相连,这两条端口馈线分别为第一端口馈线1和第二端口馈线2;
第一零阶谐振器5位于第一端口馈线1的右侧,所述第一零阶谐振器5包括第一交趾型电容7、第一高阻抗线电感9和变容二极管;第一高阻抗线电感9的两端与第一交趾型电容7的两端相连;变容二极管嵌在第一交趾型电容7交趾的右侧趾间;
第二零阶谐振器6位于第二端口馈线2的右侧,第二零阶谐振器6和第一零阶谐振器5关于第一零阶谐振器5和第二零阶谐振器6的水平中轴线镜像对称;所述第二零阶谐振器6与第一零阶谐振器5结构相同,包括第二交趾型电容8、第二高阻抗线电感10和变容二极管;第二高阻抗线电感10的两端与第二交趾型电容8的两端相连;变容二极管嵌在第二交趾型电容8交趾的右侧趾间;
所述第一端口馈线1和第二端口馈线2关于第一零阶谐振器5和第二零阶谐振器6的水平中轴线镜像对称;
第一隔直电容3嵌在第一端口馈线1和第一零阶谐振器5之间,第二隔直电容4嵌在第二端口馈线2和第二零阶谐振器6之间。
所述第一零阶谐振器5和第二零阶谐振器6的大小相同,且长度均为0.04λg~0.1λg,宽度均为0.01λg~0.06λg,其中λg为介质基板在滤波器最低可调频率处的有效波长;所述第一交趾型电容7和第二交趾型电容8的交趾对数相同,且均为1~4,线宽均为0.1mm~0.4mm,缝隙宽度均为0.2mm~0.4mm;所述第一高阻抗线电感9和第二高阻抗线电感10的弯折数相同,且均为0~10,宽度均为0.1mm~0.4mm。
所述第一零阶谐振器5和第二零阶谐振器6之间的耦合间距为0.125mm~1mm。
所述两个隔直电容的容值相同,且均为5~20pF。
所述介质基板的介电常数为2~16,介质基板的厚度为0.1~4mm。
与第一交趾型电容7相连的变容二极管的数量与第一交趾型电容7的交趾对数相同,与第二交趾型电容8相连的变容二极管的数量与第二交趾型电容8的交趾对数相同。
优选的,第一交趾型电容7的交趾对数为3对,与其相连的变容二极管分别为第一变容二极管11、第二变容二极管12和第三变容二极管13,第二交趾型电容8的交趾对数为3对,与其相连的变容二极管分别为第四变容二极管14、第五变容二极管15和第六变容二极管16。
所有变容二极管的右侧为负极,左侧为正极,其正极穿过中间层介质板与下层金属地相连。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例
本发明基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,由两个相同的端口馈线,第一端口馈线1、第二端口馈线2,两个相同的谐振器,第一零阶谐振器5、第二零阶谐振器6,两个相同的隔直电容,第一隔直电容3和第二隔直电容4构成,其中所述两个隔直电容分别嵌在对应的谐振器与端口馈线之间,用以实现隔直及端口匹配。每个谐振器均由交趾型电容、高阻抗线电感和三个变容二极管组成,所述变容二极管嵌在交趾型电容每对交趾的右侧趾间,用以调节谐振器的谐振频率。介质基板的介电常数为2.2,厚度为0.787mm,电路尺寸为0.08λg×0.04λg,其中λg为介质基板在滤波器最低可调频率处的有效波长。图1a中端口馈线1、2的宽度为2.365mm,端口馈线1、2的抽头宽度为1mm,零阶谐振器5、6的长度L1为16.3mm,宽度W1为4.6mm,交趾型电容的趾间间距S1为0.3mm,趾宽W2为0.2mm,缝隙宽度g1为0.3mm,交趾数为6,高阻抗线电感的宽度W3为0.25mm,弯折数为4,弯折处长度L2为1.2mm。第一零阶谐振器5和第二零阶谐振器6之间的耦合间距为0.2mm,第一隔直电容3、第二隔直电容4的电容值均为7pF,六个变容二极管11、12、13、14、15、16,均选用Skyworks公司的SMV2201-040LF。
图2给出了利用所述参数设计的高性能可调滤波器的仿真结果,其中,图2a是回波损耗特性曲线,图2b是传输特性曲线。由图2可见,频率调谐范围从0.95GHz到1.35GHz,具有34.8%的相对频率调谐范围,在整个调谐范围内保持26.9%±1.9%的相对带宽,插入损耗从0.31dB变化到0.93dB,回波损耗在20dB~25dB之间,带内匹配度良好,上阻带抑制度在20dB以上,通带两边各有一个传输零点,具有较高的选择性。
由上可知,本发明公开的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,和其他类型的可调滤波器相比,尺寸明显减小。

Claims (8)

1.一种基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,包括上层微带结构,中间层介质板和下层接地金属;上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面,接地金属附着在中间层介质基板的下表面;该可调滤波器的第一端口(P1)和第二端口(P2)位于介质基板的上层,两条相同的端口馈线分别与对应的两个端口相连,这两条端口馈线分别为第一端口馈线(1)和第二端口馈线(2);
第一零阶谐振器(5)位于第一端口馈线(1)的右侧,所述第一零阶谐振器(5)包括第一交趾型电容(7)、第一高阻抗线电感(9)和变容二极管;第一高阻抗线电感(9)的两端与第一交趾型电容(7)的两端相连;变容二极管嵌在第一交趾型电容(7)交趾的右侧趾间;
第二零阶谐振器(6)位于第二端口馈线(2)的右侧,第二零阶谐振器(6)和第一零阶谐振器(5)关于第一零阶谐振器(5)和第二零阶谐振器(6)的水平中轴线镜像对称;所述第二零阶谐振器(6)与第一零阶谐振器(5)结构相同,包括第二交趾型电容(8)、第二高阻抗线电感(10)和变容二极管;第二高阻抗线电感(10)的两端与第二交趾型电容(8)的两端相连;变容二极管嵌在第二交趾型电容(8)交趾的右侧趾间;
所述第一端口馈线(1)和第二端口馈线(2)关于第一零阶谐振器(5)和第二零阶谐振器(6)的水平中轴线镜像对称;
第一隔直电容(3)嵌在第一端口馈线(1)和第一零阶谐振器(5)之间,第二隔直电容(4)嵌在第二端口馈线(2)和第二零阶谐振器(6)之间。
2.根据权利要求1所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,所述第一零阶谐振器(5)和第二零阶谐振器(6)的大小相同,且长度均为0.04λg~0.1λg,宽度均为0.01λg~0.06λg,其中λg为介质基板在滤波器最低可调频率处的有效波长;所述第一交趾型电容(7)和第二交趾型电容(8)的交趾对数相同,且均为1~4,线宽均为0.1mm~0.4mm,缝隙宽度均为0.2mm~0.4mm;所述第一高阻抗线电感(9)和第二高阻抗线电感(10)的弯折数相同,且均为0~10,宽度均为0.1mm~0.4mm。
3.根据权利要求1所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,所述第一零阶谐振器(5)和第二零阶谐振器(6)之间的耦合间距为0.125mm~1mm。
4.根据权利要求1所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,所述两个隔直电容的容值相同,且均为5~20pF。
5.根据权利要求1所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,介质基板的介电常数为2~16,介质基板的厚度为0.1~4mm。
6.根据权利要求2所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,与第一交趾型电容(7)相连的变容二极管的数量与第一交趾型电容(7)的交趾对数相同,与第二交趾型电容(8)相连的变容二极管的数量与第二交趾型电容(8)的交趾对数相同。
7.根据权利要求2所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,第一交趾型电容(7)的交趾对数为3对,与其相连的变容二极管分别为第一变容二极管(11)、第二变容二极管(12)和第三变容二极管(13),第二交趾型电容(8)的交趾对数为3对,与其相连的变容二极管分别为第四变容二极管(14)、第五变容二极管(15)和第六变容二极管(16)。
8.根据权利要求1所述的基于零阶谐振器的高性能可调滤波器,其特征在于,所有变容二极管的右侧为负极,左侧为正极,其正极穿过中间层介质板与下层金属地相连。
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