CN106571507B - 基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，包括上层微带结果，中间层介质板和下层接地金属，上层微带结构包括两条输入/输出馈线、五条微带线、一对平行耦合线、六个隔直电容、五个偏置电阻、五个PIN管和四个短路接地通孔组成。通过在传输线加入控制通断的开关，控制传输线路径的选择，从而实现多个可切换的滤波模式。实现的三个滤波模式分别为：超宽带带通滤波器模式(UWB‑BPF)，窄带带通滤波器模式(NB‑BPF)，超宽带带阻滤波器模式(UWB‑BSF)。通带模式的形成是通过终端短路谐振器引入传输零点所形成的；阻带模式的形成是通过信号干扰原理，两路信号的叠加相减形成了一个宽阻带。三种模式具可实现并可调节，结构简单，特性良好，易于实现电路集成和系统封装。

Description

基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器

技术领域

本发明涉及可重构电路理论领域，尤其涉及一种基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器。

背景技术

现代无线通信系统倾向于开放越来越多的频谱资源，这导致更宽的工作带宽和更多的频带。因此，对于可以在有限的空间内实现更多功能的器件的需求变大很。对于多频带无线系统，可调谐和可切换滤波器可以实现重新配置以适应变化的电磁环境的功能，留下所需的信号，同时消除不想要的干扰。滤波器的可调谐性或可切换性可以通过控制耦合谐振器的固有频率来实现。在平面滤波器中，这可以通过在谐振线路中插入可变电抗元件来实现，例如PIN管，肖特基管，变容二极管或微机电系统(MEMS)。近年来，信号干扰电路已成为高性能滤波器的不错选择。在该理论中，来自不同信号传播信道的信号在滤波器的输出节点处被叠加或抵消，以产生传输零点，并实现高选择性滤波和抑制谐波的效果。近年来，许多学者都在致力于研究具有良好稳定性能的可重构滤波器，如文献1“Deng P H,Tsai JT,Liu R C.Design of a Switchable Microstrip Dual-Band Lowpass-BandpassFilter.IEEE Microwave&Wireless Components Letters,vol.24,no.9,pp.599–601,Sep.2014.”)，以及文献2“Y.-H.Cho，G.-M.Rebeiz 0.7–1.0-GHz reconfigurablebandpass to-bandstop filter with selectable 2-and 4-pole responses,IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.62,no.11,pp.2626–2632,Nov.2014”)中都比较详细地介绍了几种可重构滤波器的结构，以往设计的可重构滤波器结构存在的缺点有：1)电路复杂，体积较大；2)有源器件的影响使得性能不够稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器。

实现本发明目的的理论解决方案为：一种基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，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；该可重构的第一端口和第二端口位于介质基板的上层，所述第一端口位于介质基板一侧，所述第二端口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与第二微带线,所述两条微带线相互平行。

第一端口通过第一微带线与第一开路耦合线的一端相连，所述第一开路耦合线的另一端与第二微带线相连，第一传输线的一端与第一微带线的一端相连，另一端通过第一电容与第一PIN管的一端相连，第一PIN管另一端与第二传输线的一端相连，所述第二传输线另一端通过第二PIN管与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与第三传输线的一端相连，第三传输线另一端与第二微带线的一端相连。第一电阻一端接在第二传输线的中点，第三电容的一端与第一传输线上的一端相连，第三电容另一端与第三PIN管的一端相连，第三PIN管的另一端与第一短路接地通孔相连，第二电阻一端接在第一电容和第三PIN管连接处，第四电容的一端与第三传输线的一端相连，第四电容20的另一端与第四PIN管相连，第四PIN管的另一端与第二短路接地通孔相连，第三电阻一端接在第四电容和第四PIN管连接处。第五电容一端与第一传输线的一端相连，另一端通过第五PIN管与第四传输线相连，第四传输线另一端接第三短路接地通孔，第四电阻一端接在第五电容和第五PIN管连接处，第六电容一端与第三传输线的一端相连，另一端通过第六PIN管与第五传输线的一端相连，第五传输线另一端接第四短路接地通孔，第五电阻一端接在第六电容和第六PIN管连接处。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：1)本发明基于信号干扰理论，通过两路信号互相叠加，引入传输零点，实现不同的滤波模式，无需引入额外的电路结构，结构简单；2)三种滤波模式都可实现良好的性能，且相互之间没有影响，独立切换。

附图说明

图1为本发明基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器的原理图。

图2为理想等效电路图，其中，图2(a)为多功能可重构滤波器的理想等效电路，图2(b)为多功能可重构滤波器中超宽带带通模式的理想等效电路，图2(c)为多功能可重构滤波器中窄带带通模式的理想等效电路，图2(d)为多功能可重构滤波器中超宽带带阻模式的理想等效电路。

图3为多功能可重构滤波器中超宽带带通模式的S参数和群延时仿真曲线，其中图3(a)为超宽带带通模式的S参数曲线，图3(b)为群延时仿真曲线。

图4为多功能可重构滤波器中超宽带带通模式的S参数和群延时仿真曲线，其中图4(a)为超宽带带通模式的S参数曲线，图4(b)为群延时仿真曲线。

图5为多功能可重构滤波器中超宽带带通模式的S参数和群延时仿真曲线，其中图5(a)为超宽带带通模式的S参数曲线，图5(b)为群延时仿真曲线。

具体实施方式

结合附图，本发明公开了一种基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，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；该可重构的第一端口P1和第二端口P2位于介质基板的上层，所述第一端口位于介质基板一侧，所述第二端口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与第二微带线2,所述两条微带线相互平行。

第一端口P1通过第一微带线1与第一开路耦合线3的一端相连，所述第一开路耦合线3的另一端与第二微带线2相连，第一传输线4的一端与第一微带线1的一端相连，另一端通过第一电容5与第一PIN管6的一端相连，第一PIN管6另一端与第二传输线7的一端相连，所述第二传输线7另一端通过第二PIN管9与第二电容10的一端相连，第二电容10的另一端与第三传输线11的一端相连，第三传输线11另一端与第二微带线2的一端相连。第一电阻8一端接在第二传输线7的中点，第三电容14的一端与第一传输线上4的一端相连，第三电容14另一端与第三PIN管13的一端相连，第三PIN管13的另一端与第一短路接地通孔26相连，第二电阻12一端接在第一电容14和第三PIN管13连接处，第四电容20的一端与第三传输线11的一端相连，第四电容20的另一端与第四PIN管19相连，第四PIN管19的另一端与第二短路接地通孔27相连，第三电阻18一端接在第四电容20和第四PIN管19连接处。第五电容15一端与第一传输线4的一端相连，另一端通过第五PIN管16与第四传输线24相连，第四传输线24另一端接第三短路接地通孔28，第四电阻17一端接在第五电容15和第五PIN管16连接处，第六电容21一端与第三传输线11的一端相连，另一端通过第六PIN管22与第五传输线25的一端相连，第五传输线25另一端接第四短路接地通孔29，第五电阻23一端接在第六电容21和第六PIN管22连接处。

第一开路耦合线3包含第一窄传输线3-1和第二窄传输线3-2，第一窄传输线3-1和第二窄传输线3-2宽边平行，第一窄传输线3-1的一端与第一微带线1相连，第一窄传输线3-1的另一端开路，第二窄传输线3-2的一端与第二微带线2的一端相连，第二窄传输线3-2的另一端开路。

第一电容5、第三电容14和第五电容15接在第一传输线4的同一端，第二电容10、第四电容20和第六电容21接在第三传输线11的同一端,第一传输线4和第一开路耦合线3接在第一微带线1的同一端，第三传输线11和第一开路耦合线3接在第二微带线2的同一端。

两条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，第三短路接地通孔28和第四短路接地通孔29具有相同的直径长度，第一短路接地通孔26和第二短路接地通孔27具有相同的直径长度，第一传输线4、第二传输线7和第三传输线具有相同的宽度，第四传输线24和第五传输线25具有相同的长度和宽度。

第一开路耦合线3的长度为该多功能可重构滤波器通带中心频率波长的四分之一，第一传输线4，第二传输线5和第三传输线的长度之和为该多功能可重构滤波器通带中心频率波长的四分之三，第四传输线24和第五传输线25的长度均为该多功能可重构滤波器通带中心频率波长的二分之一，所述第一微带线1、第二微带线2、第一开路耦合线3、第一传输线4、第二传输线7、第三传输线11、第四传输线24和第五传输线25的宽度均为0.15-2mm，所述第一开路耦合线1的耦合间距为0.15-0.6mm，所述六个隔直电容的容值相同均为50pF～150pF，所述五个电阻的阻值相同均为30Ω～200Ω。

第一开路耦合线3的宽度为0.54mm,第一传输线4、第二传输线7和第三传输线11的宽度均为2.73mm，第四传输线24和第五传输线25的宽度均为0.89mm，第一开路耦合线3的耦合间距为0.31mm。

介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。

所述下层接地金属上第一开路耦合线3对应的位置为空，即未布置金属。

本发明基于信号干扰理论，通过两路信号互相叠加，引入传输零点，实现不同的滤波模式，无需引入额外的电路结构，结构简单。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例

图2a是基于信号干扰理论的多功能可切换滤波器的等效电路，通过控制开关1,2,3和开关1’,2’,3’的通断，可以选择不同的路径，形成不同的滤波模式。本发明中可以形成三种滤波模式，分别是超宽带带通滤波器模式，窄带带通滤波器模式，超宽带带阻滤波器模式。

a.超宽带带通模式

当开关1闭合，其余开关断开，便形成超宽带带通滤波器模式，如图2b。

四分之一波长枝节和平行耦合线的ABCD矩阵分别是：

所以得到整个电路的ABCD矩阵：

把ABCD矩阵转化为S参数，得到S₂₁，

令S₂₁＝0,可以得到θ_tz1＝0orπ.这意味着理想等效电路的零点是θ＝0或π.零点θ＝0或π分别对应着f＝0和2f₀,也对应着开路耦合线的传输零点.

b.窄带带通模式

当开关2闭合，其余开关断开，便形成窄带带通滤波器模式，如图2c。由四分之一波长的传输线和终端短路的半波长传输线所构成的枝节的ABCD矩阵可以由其输入阻抗表示，并且输入阻抗可以由四分之一波长传输线的ABCD矩阵和加载的终端短路枝节Z_L来表示，如下所示：

Z_L＝jZ₂tan2θ (4)

平行耦合线的传输矩阵：

因此整体电路的传输矩阵：

把ABCD矩阵转换为S参数，得到S21,并令S21为零，

Z₁Z₂cosθtan2θ+Z₁ ²sinθ＝0

这意味着传输矩阵的零点是：

此方程的解与加载的阶跃阻抗谐振器枝节的传输零点相对应，所以窄带带通滤波器模式的带宽可以通过改变Z₁和Z₂的比值来控制。

b.超宽带带阻模式

当开关3闭合，其余开关断开，便形成超宽带带阻滤波器模式，如图2d。

电路由两路信号构成，一路信号是四分之三波长的传输线，另一路信号是四分之一波长的开路耦合线，来自两路的信号互相叠加，在中心频率f₀两路信号有180度的信号差，所以互相抑制。在频率2f₀处，来自两路的信号有着相同的相位，所以互相叠加。因此形成一个超宽带带阻模式。

图1采用的介质基板相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.003，整个介质基板的尺寸是54mm*50mm*1mm。金属过化孔26、27的直径为0.4mm,金属过化孔28、29的直径为1mm,开路耦合线3的宽度设置为0.54mm，长度为17.85mm，耦合间距为0.31mm，传输线4、7和11的宽度均设置为2.73mm，长度分别为17.34mm,15.55mm和16mm.传输线24和25的宽度设置为0.89mm，长度为33.16mm。所述六个隔直电容的容值相同均为100pF，所述五个电阻的阻值相同均为1KΩ。五个PIN管均选用Skyworks公司的SMP1345-079LF。

图1为本发明基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器的原理图。

图3是图1中多功能可重构滤波器中超宽带带通模式的S参数和群延时仿真结果。在超宽带带通模式中，该滤波器的3dB带宽是95.4％(1.48GHz-4.18GHz)，带内回波损耗小于-16dB，带外传输抑制达到21dB，带内群延时小于8.2ns。

图4是图1中多功能可重构滤波器中窄带带通模式的S参数和群延时仿真结果。在窄带带通模式中，该滤波器的3dB带宽是26.1％(2.49GHz-3.24GHz)，带内回波损耗小于-16.2dB，带外传输抑制达到11.6dB，带内群延时小于8.9ns。

图5是图1中多功能可重构滤波器中超宽带带阻模式的S参数和群延时仿真结果。在超宽带带阻模式中，该滤波器的3dB带宽是103.7％(1.42GHz-4.48GHz)，带内传输损耗小于-11dB，带内群延时小于12.5ns。

因此，本发明提出的多功能可重构滤波器，在信号干扰理论的基础上，通过在传输线上加载PIN管，控制其通断，选择不同的信号路径，从而形成不同具有三种滤波模式的可重构滤波器。通过信号干扰理论产生了需要的传输零点，从而获得所需的滤波器响应，结构简单，三种滤波器模式相互之间没有影响，可以实现模式之间独立可切换，结构简单，性能良好。

Claims (7)

1.一种基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，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；该可重构滤波器的第一端口(P1)和第二端口(P2)位于介质基板的上层，所述第一端口位于介质基板一侧，所述第二端口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)与第二微带线(2)，所述第一微带线(1)与第二微带线(2)相互平行；

第一端口(P1)通过第一微带线(1)与第一开路耦合线(3)的一端相连，所述第一开路耦合线(3)的另一端与第二微带线(2)相连，其中，第一开路耦合线(3)包含第一窄传输线(3-1)和第二窄传输线(3-2)，第一窄传输线(3-1)和第二窄传输线(3-2)相互平行，第一窄传输线(3-1)的一端与第一微带线(1)相连，第一窄传输线(3-1)的另一端开路，第二窄传输线(3-2)的一端与第二微带线(2)的一端相连，第二窄传输线(3-2)的另一端开路；第一传输线(4)的一端与第一微带线(1)的一端相连，另一端通过第一电容(5)与第一PIN管(6)的一端相连，第一PIN管(6)另一端与第二传输线(7)的一端相连，所述第二传输线(7)另一端通过第二PIN管(9)与第二电容(10)的一端相连，第二电容(10)的另一端与第三传输线(11)的一端相连，第三传输线(11)另一端与第二微带线(2)的一端相连；第一电阻(8)一端接在第二传输线(7)的中点，第三电容(14)的一端与第一传输线(4)的另一端相连，第三电容(14)另一端与第三PIN管(13)的一端相连，第三PIN管(13)的另一端与第一短路接地通孔(26)相连，第二电阻(12)一端接在第三电容(14)和第三PIN管(13)连接处；

第四电容(20)的一端与第三传输线(11)的一端相连，第四电容(20)的另一端与第四PIN管(19)相连，第四PIN管(19)的另一端与第二短路接地通孔(27)相连，第三电阻(18)一端接在第四电容(20)和第四PIN管(19)连接处；

第五电容(15)一端与第一传输线(4)的另一端相连，另一端通过第五PIN管(16)与第四传输线(24)的一端相连，第四传输线(24)另一端接第三短路接地通孔(28)，第四电阻(17)一端接在第五电容(15)和第五PIN管(16)连接处，第六电容(21)一端与第三传输线(11)的一端相连，另一端通过第六PIN管(22)与第五传输线(25)的一端相连，第五传输线(25)另一端接第四短路接地通孔(29)，第五电阻(23)一端接在第六电容(21)和第六PIN管(22)连接处。

2.根据权利要求1中所述的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，其特征在于，第一电容(5)、第三电容(14)和第五电容(15)接在第一传输线(4)的同一端，第一传输线(4)和第一开路耦合线(3)接在第一微带线(1)的同一端，第三传输线(11)和第一开路耦合线(3)接在第二微带线(2)的同一端。

3.根据权利要求1中所述的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，其特征在于，两条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，第三短路接地通孔(28)和第四短路接地通孔(29)具有相同的直径长度，第一短路接地通孔(26)和第二短路接地通孔(27)具有相同的直径长度，第一传输线(4)、第二传输线(7)和第三传输线具有相同的宽度，第四传输线(24)和第五传输线(25)具有相同的长度和宽度。

4.根据权利要求1或3中所述的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，其特征在于，第一开路耦合线(3)的长度为该多功能可重构滤波器通带中心频率波长的四分之一，第一传输线(4)，第二传输线(7)和第三传输线的长度之和为该多功能可重构滤波器通带中心频率波长的四分之三，第四传输线(24)和第五传输线(25)的长度均为该多功能可重构滤波器通带中心频率波长的二分之一，所述第一微带线(1)、第二微带线(2)、第一开路耦合线(3)、第一传输线(4)、第二传输线(7)、第三传输线(11)、第四传输线(24)和第五传输线(25)的宽度均为0.15-2mm，所述第一开路耦合线(3)的耦合间距为0.15-0.6mm，所述第一电容(5)、第二电容(10)、第三电容(14)、第四电容(20)、第五电容(15)、第六电容(21)的容值相同均为50pF～150pF，所述第一电阻(8)、第二电阻(12)、第三电阻(18)、第四电阻(17)、第五电阻(23)的阻值相同均为30Ω～200Ω。

5.根据权利要求1中所述的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，其特征在于，第一开路耦合线(3)的宽度为0.54mm,第一传输线(4)、第二传输线(7)和第三传输线(11)的宽度均为2.73mm，第四传输线(24)和第五传输线(25)的宽度均为0.89mm，第一开路耦合线(3)的耦合间距为0.31mm。

6.根据权利要求1中所述的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，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。

7.根据权利要求1中所述的基于信号干扰理论的多功能可重构滤波器，其特征在于，下层接地金属上第一开路耦合线(3)对应的位置为空，即未布置金属。