CN106257744A - 基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的可调带宽超宽带滤波器，包括两对耦合线，三条开路微带传输线，五个接地微带线，五个电源微带线，五个短微带线。本发明在平行耦合线和传输线末尾中间通过加载变容管控制谐振模式控制带宽，形成可调带宽超宽带滤波器。通过平行耦合线中间加载变容管值，可以调节耦合强弱，有效控制插入损耗大小。利用半波长开路传输线的传输特性，在终端加载变容管，可以调节产生的传输零点的位置。该超宽带带通滤波器通过在中间加载变容管的耦合线和终端加载变容管的半波长传输线实现的良好的传输特性和通带的两边带独立可调，在一段宽频范围内上阻带的抑制幅度可达40 dB,结构简单，电性能好，易于实现电路集成与系统封装。

Description

基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器

技术领域

本发明涉及基于变容二极管的可调滤波器领域，具体涉及一种基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器

背景技术

随着射频系统的发展，无线通信系统正在朝着全可调，多目标的方向迈进，可调滤波器作为可重构无线系统中的重要组成部分，其发展便发挥了至关重要的作用。由于可调滤波器在电子测量，军事应用，多功能接收机和动态频谱收集等方面的广泛应用，受到了广泛关注。实现可重构的方法有半导体,射频MEMS,BST薄膜可调电容，和变容二极管等技术。变容二极管由于其调谐速度快，成本低，近年来受到了科研人员的广泛关注。近年来，许多学者都在致力于研究具有良好的频率调节、高频率选择性和带宽控制的的可调滤波器，如文献1(Tang C W,Tseng C T,Chang S C.A Tunable Bandpass Filter With ModifiedParallel-Coupled Line[J].IEEE Microwave&Wireless Components Letters,2013,23(4):190-192.”)，以及文献2(“Varactor-tuned microstrip bandpass filters withdifferent passband characteristics”)中都比较详细地介绍了几种可调滤波器的结构，以往设计的可调滤波器结构存在的缺点有：(1)带宽调节范围受限；(2)调节过程中，滤波器性能不稳定；(3)变容二极管引入寄生参数，引起不必要的谐振，电源增大了电路体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，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上表面，接地金属附着在中间层介质基板的下表面；该上层微带结构中可调滤波器整体为左右对称结构，其中第一端口、第二端口，两条50欧姆的微带线分别与对应的两个端口相连，该两条50欧姆的微带线分别为第一微带线、第二微带线；其中第一端口位于介质基板的一侧，第二端口位于介质基板对称的另外一侧，两条微带线位于同一直线上。

第一端口通过第一微带线与第一平行耦合线的一端相连，所述第一平行耦合线在同一根传输线上的另一端与第一开路传输线的一端相连，所述第一平行耦合线另一根传输线上的一端与第三开路传输线一端相连，第一平行耦合线另一根传输线的另一端为开路；第二端口通过第二传输线与第二平行耦合线的一端相连，所述第二平行耦合线在同一根传输线上的另一端与第二开路传输线的一端相连，所述第二平行耦合线另一根传输线上的一端与第三开路传输线一端相连；第一隔直电容嵌在第一微带线中，第二隔直电容嵌在第二微带线中；第一电容一端接在第三开路传输线终端，另一端通过第一短微带线与第一变容管相连，第一变容管另一端与第一接地微带线相连，第一接地微带线远离电路中心的末端设置一个第一短路接地通孔，第一短微带线同时通过第一电阻与第一电源微带线相连；第二电容一端接在第一开路传输线终端，另一端通过第二短微带线与第二变容管相连，第二变容管另一端与第二接地微带线相连，第二接地微带线远离电路中心的末端设置一个第二短路接地通孔，第二短微带线同时通过第二电阻与第二电源微带线相连；第三电容一端接在第三开路传输线终端，另一端通过第三短微带线与第三变容管相连，第三变容管另一端与第三接地微带线相连，第三接地微带线远离电路中心的末端设置一个第三短路接地通孔，第三短微带线同时通过第三电阻与第三电源微带线相连。第一平行耦合线的正中间加载第四变容管，所述平行耦合线开路端通过第四电阻与第四电源微带线相连，所述第一平行耦合线与第一传输线相连的那端通过第五电阻与第四接地微带线相连，第四接地微带线远离电路中心的末端设置一个第四短路接地通孔；第二平行耦合线的正中间加载第五变容管，所述第二耦合线开路端通过第六电阻与第五电源微带线相连，所述平行耦合线与第二传输线相连的那端通过第七电阻与第五接地微带线相连，第七微带线远离电路中心的末端设置一个第五短路接地通孔。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明基于中间加载变容管的四分之一波长平行耦合线，通过调节耦合线长度、宽度、耦合间距等参量可以方便地调节耦合系数，外部品质因数以及带宽等参数。(2)在加载的调节耦合的变容管和调节谐振的变容管的共同作用下，可以实现左右两边带独立可调。(3)本发明在一段宽频范围内，上阻带的抑制幅度可达40dB，具有良好的阻带抑制效果。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器的平面结构示意图。

图2为加载电容管的平行耦合线的结构示意图。

图3为本发明基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器的仿真结果图，其中图3a是固定第二变容管和第三变容管的电容值C_v2和第一变容管的电容值C_v3，调节第四变容管和第五变容管的电容值C_v1的仿真特性；图3b所示是固定C_v1和C_v3，调节第C_v2的仿真特性；图3c所示是固定C_v1和C_v2，调节第C_v3的仿真特性。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，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上表面，接地金属附着在中间层介质基板的下表面；该上层微带结构中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，所述第一端口P1位于介质基板的一侧，所述第二端口P2位于介质基板的另外一侧；两条50欧姆的微带线分别与对应的两个端口相连，这两条50欧姆的微带线分别为第一微带线1和第二微带线2，所述两条微带线位于同一直线上；

所述第一端口P1通过第一微带线1与第一平行耦合线3的一端相连，所述第一平行耦合线3在同一根传输线上的另一端与第一开路传输线5的一端相连，所述第一平行耦合线3另一根传输线的一端与第三开路传输线7的一端相连，第一平行耦合线3另一根传输线的另一端为开路；

所述第二端口P2通过第二传输线2与第二平行耦合线4的一端相连，所述第二平行耦合线4在同一根传输线上的另一端与第二开路传输线6的一端相连，所述第二平行耦合线4另一根传输线上的一端与第三开路传输线7一端相连，第二平行耦合线4另一根传输线的另一端为开路；

所述第一隔直电容8嵌在第一微带线1中，第二隔直电容9嵌在第二微带线2中，第一电容10一端接在第三开路传输线7终端，另一端通过第一短微带线23与第一变容管22相连，第一变容管22另一端与第一接地微带线27相连，第一接地微带线27远离电路中心的末端设置一个第一短路接地通孔30，第一短微带线23同时通过第一电阻17与第一电源微带线26相连；第二电容11一端接在第一开路传输线5终端，另一端通过第二短微带线24与第二变容管20相连，第二变容管20另一端与第二接地微带线28相连，第二接地微带线28远离电路中心的末端设置一个第二短路接地通孔31，第二短微带线24同时通过第二电阻15与第二电源微带线29相连；第三电容12一端接在第二开路传输线6终端，另一端通过第三短微带线25与第三变容管21相连，第三变容管21另一端与第三接地微带线32相连，第三接地微带线32远离电路中心的末端设置一个第三短路接地通孔34，第三短微带线25同时通过第三电阻16与第三电源微带线33相连；

所述第一平行耦合线3的正中间加载第四变容管18，所述平行耦合线开路端通过第四电阻13与第四电源微带线41相连，所述第一平行耦合线3与第一传输线相连的那端通过第五电阻35与第四接地微带线39相连，第四接地微带线39远离电路中心的末端设置一个第四短路接地通孔40；第二平行耦合线4的正中间加载第五变容管19，所述第二平行耦合线开路端通过第六电阻14与第五电源微带线42相连，该平行耦合线与第二传输线相连的那端通过第七电阻36与第五接地微带线37相连，第五接地微带线37远离电路中心的末端设置一个第五短路接地通孔38。

所述整个电路呈左右对称结构，对称的中心线为第三开路传输线7的中心线，具体为：第一端口P1与第二端口P2左右对称分布，对应的第一微带线1与第二微带线2左右对称分布，第一平行耦合线3与第二平行耦合线4左右对称分布，第一开路传输线5和第二开路传输线6左右对称分布，第一隔直电容8与第二隔直电容9左右对称分布，微带线41和微带线42，第五电阻13和第六电阻14，第五电阻35和第七电阻36，第二接地传输线39和第三接地传输线37，第四接地通孔40和第五接地通孔38，第二接地通孔31和第三接地通孔34，第二接地传输线28和第三接地传输线32，第二变容管20和第三变容管21，第二短传输线24和第三传输线25，第二电容11和第三电容12，第二电阻15和第三电阻16，第二电源传输线29和第三电源传输线33分别都呈左右对称分布。

所述两条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，五个短路接地通孔[30，31，34，38，40]具有相等的直径，第一开路传输线5和第二开路传输线6的宽度相等，第一平行耦合线3和第二平行耦合线4之间的耦合间距相同均为0.15～0.4mm，第一平行耦合线3和第二平行耦合线4长度和宽度也均相同。

所述第一平行耦合线3、第二平行耦合线4、第一开路传输线5和第二开路传输线6、第三开路传输线7的长度均为该平衡滤波器通带中心频率波长的四分之一，所述第一平行耦合线3、第二平行耦合线4、第一开路传输线5、第二开路传输线6、第三开路传输线7、第一传输线1、第二传输线2的宽度均为0.15-15mm，所述第一平行耦合线3、第二平行耦合线4的耦合间距均为0.15-0.6mm。

所述第一平行耦合线3、第二平行耦合线4的宽度均为1.77mm，所述第一开路传输线5和第二开路传输线6的宽度均为3.6mm，所述第三开路传输线7的宽度为14mm，所述第一传输线1和第二传输线2的宽度为2.9mm，所述第一平行耦合线3、第二平行耦合线4的耦合间距均为0.4mm。

所述两个隔直电容的容值相同均为20pF～150pF，所述第一电容10，第二电容11和第三电容12的容值相同均为0.5pF～1pF，所述七个电阻的阻值相同均为100Ω～100kΩ。

所述介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例

基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，两个对称的平行耦合线相连，端口接入半波长开路传输线，通过在平行耦合线之间加载变容管，控制耦合系数，在开路传输线终端加载变容管调节谐振零点，控制带宽，三个变容管相互独立共同作用，实现通带两边带独立可调。整个介质基板的尺寸，157.6mm*70mm*1mm，介质基板的介电常数为2.65。图1中微带线1，2的长度为21mm，宽度为2.9mm,第一平行耦合线3、第二平行耦合线4的宽度均为1.77mm，耦合间距为0.4mm，长度均为51mm,第一开路传输线5和第二开路传输线6的宽度均为3.6mm，长度均为54mm，第三开路传输线7的宽度为14mm，长度为21mm.两个隔直电容8,9的容值相同均为100pF，所述第一电容10，第二电容11和第三电容12的容值相同均为0.1pF，所述七个电阻的阻值相同均为100kΩ，第四变容管18，第五变容管19，第一变容管22选用的是Skyworks公司的SMV1283-040LF，第二变容管20，第三变容管21选用的是Skyworks公司的SMV1213-079LF。

图2是所述加载电容管的平行耦合线的等效原理图，此平行耦合线中间加载变容管，耦合线一端加载开路枝节，开路枝节终端加载一变容管，其中，θ代表开路枝节的电长度以及耦合线的电长度的1/2，Z₁表示开路枝节的阻抗，Z_oe和Z_oo表示耦合线的奇偶模阻抗，其ABCD输入矩阵可表示为：

$\begin{array}{c}{M}_A=M_{1a}{M}_{1b}{M}_{1a}{M}_2{M}_3\\ =\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& j\frac{Z_{oe}+Z_{oo}}{2}\sin \mathrm{\θ}\\ j\frac{2}{(Z_{oe}+Z_{oo})}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ {\mathrm{j\ωC}}_{V1}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& j\frac{Z_{oe}+Z_{oo}}{2}\sin \mathrm{\θ}\\ j\frac{2}{(Z_{oe}+Z_{oo})}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& {\mathrm{jZ}}_1\sin \mathrm{\θ}\\ \frac{j\sin 2\mathrm{\θ}}{Z_1}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& {\mathrm{j\ωC}}_{V2}\\ 0& 1\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]\end{array}$

$A={\cos }^2\mathrm{\θ}-\frac{X}{Z_1}{\sin }^2\mathrm{\θ}-(\frac{{\mathrm{XY}}_1}{4}+\frac{X^2{Y}_1}{4Z_1})sin2\mathrm{\θ}+\frac{X^2{Y}_1}{4Z_1}sin\mathrm{\θ}$

$B=j\[(Y_2+\frac{X^2{Y}_1}{2}){\cos }^2\mathrm{\θ}-(\frac{{\mathrm{XY}}_1{Z}_1}{2}+\frac{Y_{2}X}{Z_1}){\sin }^2\mathrm{\θ}+(X+Z_1-\frac{{\mathrm{XY}}_1{Y}_2}{2}-\frac{X^2{Y}_1{Y}_2}{4Z_1})sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}+\frac{X^2{Y}_1{Y}_2}{2Z_1}sin\mathrm{\θ}-\frac{X^2{Y}_1}{2}cos\mathrm{\θ}\]$

$C=j\[\frac{Y_1}{2}{\cos }^2\mathrm{\θ}+(\frac{1}{X}+\frac{1}{Z_1})sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{XY}}_1}{2Z_1}sin\mathrm{\θ}+\frac{Y_1}{2}cos\mathrm{\θ}\]$

$D=-\[(\frac{Y_2}{X}+\frac{Y_2}{Z_1}+\frac{{\mathrm{XY}}_1}{2}+\frac{Y_1{Z}_1}{2})sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}+(1-\frac{Y_2{Y}_2}{2}){\cos }^2\mathrm{\θ}+(\frac{{\mathrm{XY}}_1{Y}_2}{2Z_1}-\frac{Z_1}{X}){\sin }^2\mathrm{\θ}-\frac{Y_1{Z}_1}{2}sin\mathrm{\θ}-\frac{Y_1{Y}_2}{2}cos\mathrm{\θ}\]$

$X=\frac{Z_{oe}+Z_{oo}}{2}$

Y₁＝ωC_V1Y₂＝ωC_V2

根据输入矩阵与S参数的关系：

$\begin{array}{cc}{S}_{11}=\frac{A+B/Z_0-{\mathrm{CZ}}_0-D}{A+B/Z_0+{\mathrm{CZ}}_0+D}& S_{21}=\frac{2}{A+B/Z_0+{\mathrm{CZ}}_0+D}\end{array}$

令S₂₁＝0，便可求得谐振频率与变容管值C_v的关系。

图3给出了利用所述参数设计的可调滤波器的仿真结果。图3a所示是固定第二变容管和第三变容管的电容值C_v2和第一变容管的电容值C_v3，调节第四变容管和第五变容管的电容值C_v1的仿真特性，图3b所示是固定C_v1和C_v3，调节第C_v2的仿真特性,图3c所示是固定C_v1和C_v2，调节第C_v3的仿真特性。由图3a可知，通带右边带固定，左边带随着C_v1增大而左移，在,由图3b可知，3dB通带无大的变化，由图3c可知，通带左边带固定，右边带随着C_v3增大而左移，带宽的调节范围从23％到104％s。在一段宽频范围内,上阻带的抑制幅度可达40dB。

本发明的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，两个对称的平行耦合线相连，端口接入半波长开路传输线，通过在平行耦合线之间加载变容管，控制耦合系数，在开路传输线终端加载变容管调节谐振零点，控制带宽，三个变容管相互独立共同作用，实现通带两边带独立可调。在一段宽频范围内，上阻带的抑制幅度可达40dB，具有良好的阻带抑制效果。

Claims (7)

1.一种基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，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上表面，接地金属附着在中间层介质基板的下表面；该上层微带结构中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，所述第一端口(P1)位于介质基板的一侧，所述第二端口(P2)位于介质基板的另外一侧；两条50欧姆的微带线分别与对应的两个端口相连，这两条50欧姆的微带线分别为第一微带线(1)和第二微带线(2)，所述两条微带线位于同一直线上；

第一端口(P1)通过第一微带线(1)与第一平行耦合线(3)的一端相连，所述第一平行耦合线(3)在同一根传输线上的另一端与第一开路传输线(5)的一端相连，所述第一平行耦合线(3)另一根传输线的一端与第三开路传输线(7)的一端相连，第一平行耦合线(3)另一根传输线的另一端为开路；

第二端口(P2)通过第二传输线(2)与第二平行耦合线(4)的一端相连，所述第二平行耦合线(4)在同一根传输线上的另一端与第二开路传输线(6)的一端相连，所述第二平行耦合线(4)另一根传输线上的一端与第三开路传输线(7)一端相连，第二平行耦合线(4)另一根传输线的另一端为开路；

第一隔直电容(8)嵌在第一微带线(1)中，第二隔直电容(9)嵌在第二微带线(2)中，第一电容(10)一端接在第三开路传输线(7)终端，另一端通过第一短微带线(23)与第一变容管(22)相连，第一变容管(22)另一端与第一接地微带线(27)相连，第一接地微带线(27)远离电路中心的末端设置一个第一短路接地通孔(30)，第一短微带线(23)同时通过第一电阻(17)与第一电源微带线(26)相连；第二电容(11)一端接在第一开路传输线(5)终端，另一端通过第二短微带线(24)与第二变容管(20)相连，第二变容管(20)另一端与第二接地微带线(28)相连，第二接地微带线(28)远离电路中心的末端设置一个第二短路接地通孔(31)，第二短微带线(24)同时通过第二电阻(15)与第二电源微带线(29)相连；第三电容(12)一端接在第二开路传输线(6)终端，另一端通过第三短微带线(25)与第三变容管(21)相连，第三变容管(21)另一端与第三接地微带线(32)相连，第三接地微带线(32)远离电路中心的末端设置一个第三短路接地通孔(34)，第三短微带线(25)同时通过第三电阻(16)与第三电源微带线(33)相连；

第一平行耦合线(3)的正中间加载第四变容管(18)，所述平行耦合线开路端通过第四电阻(13)与第四电源微带线(41)相连，所述第一平行耦合线(3)与第一传输线相连的那端通过第五电阻(35)与第四接地微带线(39)相连，第四接地微带线(39)远离电路中心的末端设置一个第四短路接地通孔(40)；第二平行耦合线(4)的正中间加载第五变容管(19)，所述第二平行耦合线开路端通过第六电阻(14)与第五电源微带线(42)相连，该平行耦合线与第二传输线相连的那端通过第七电阻(36)与第五接地微带线(37)相连，第五接地微带线(37)远离电路中心的末端设置一个第五短路接地通孔(38)。

2.根据权利要求1中所述的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，其特征在于，整个电路呈左右对称结构，对称的中心线为第三开路传输线(7)的中心线，具体为：第一端口(P1)与第二端口(P2)左右对称分布，对应的第一微带线(1)与第二微带线(2)左右对称分布，第一平行耦合线(3)与第二平行耦合线(4)左右对称分布，第一开路传输线(5)和第二开路传输线(6)左右对称分布，第一隔直电容(8)与第二隔直电容(9)左右对称分布，微带线(41)和微带线(42)，第五电阻(13)和第六电阻(14)，第五电阻(35)和第七电阻(36)，第二接地传输线(39)和第三接地传输线(37)，第四接地通孔(40)和第五接地通孔(38)，第二接地通孔(31)和第三接地通孔(34)，第二接地传输线(28)和第三接地传输线(32)，第二变容管(20)和第三变容管(21)，第二短传输线(24)和第三传输线(25)，第二电容(11)和第三电容(12)，第二电阻(15)和第三电阻(16)，第二电源传输线(29)和第三电源传输线(33)分别都呈左右对称分布。

3.根据权利要求1或2中所述的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，其特征在于，两条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，五个短路接地通孔(30，31，34，38，40)具有相等的直径，第一开路传输线(5)和第二开路传输线(6)的宽度相等，第一平行耦合线(3)和第二平行耦合线(4)之间的耦合间距相同均为0.15～0.4mm，第一平行耦合线(3)和第二平行耦合线(4)长度和宽度也均相同。

4.根据权利要求3中所述的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，其特征在于，第一平行耦合线(3)、第二平行耦合线(4)、第一开路传输线(5)和第二开路传输线(6)、第三开路传输线(7)的长度均为该平衡滤波器通带中心频率波长的四分之一，所述第一平行耦合线(3)、第二平行耦合线(4)、第一开路传输线(5)、第二开路传输线(6)、第三开路传输线(7)、第一传输线(1)、第二传输线(2)的宽度均为0.15-15mm，所述第一平行耦合线(3)、第二平行耦合线(4)的耦合间距均为0.15-0.6mm。

5.根据权利要求4中所述的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一平行耦合线(3)、第二平行耦合线(4)的宽度均为1.77mm，所述第一开路传输线(5)和第二开路传输线(6)的宽度均为3.6mm，所述第三开路传输线(7)的宽度为14mm，所述第一传输线(1)和第二传输线(2)的宽度为2.9mm，所述第一平行耦合线(3)、第二平行耦合线(4)的耦合间距均为0.4mm。

6.根据权利要求1或2中所述的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，其特征在于，所述两个隔直电容的容值相同均为20pF～150pF，所述第一电容(10)，第二电容(11)和第三电容(12)的容值相同均为0.5pF～1pF，所述七个电阻的阻值相同均为100Ω～100kΩ。

7.根据权利要求1或2中所述的基于平行耦合线加载的可调带宽超宽带带通滤波器，其特征在于，介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。