CN107017453A - 基于全波长可调谐谐振器的耦合结构及其可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于全波长可调谐谐振器的耦合结构及其可调带通滤波器，涉及电子技术领域。本发明基于全波长可调谐谐振器的不同耦合方式，既能实现以电耦合为主的耦合结构，也能够实现以磁耦合为主的耦合结构，并且两种耦合结构均满足耦合系数随中心频率下降而上升的条件，进而能够在比较宽的中心频率调谐范围内保持相对稳定的带宽；同时，本发明还提供了基于上述新型耦合结构所形成具有交叉耦合结构的微带可调带通滤波器，有效提高了滤波器的频率选择性；运用该新型耦合结构于高阶可调滤波器的设计和制造中，能够克服现有技术拓扑结构设计受限的不足，降低设计的难度，提高成品率，因此，本发明在实现复杂拓扑结构的滤波器中起着至关重要的作用。

Description

基于全波长可调谐谐振器的耦合结构及其可调带通滤波器

技术领域

本发明属于电子技术领域，尤其涉及基于全波长可调谐谐振器的耦合结构和基于所述耦合结构的可调带通滤波器。

背景技术

随着无线通信迅猛的发展，多频、跳频无线通信系统的需求越来越大。可调谐射频滤波器得到了国内外科研工作者的广泛关注。调谐过程中的通带特性是可调滤波器的关键性能之一，尤其是带宽的稳定性至关重要。

根据传统(固定频率响应)滤波器综合理论，滤波器的归一化频率响应特性可由其归一化单位变换矩阵(M矩阵)确定，而M矩阵可由各级谐振器间的耦合矩阵(k矩阵)确定：

其中，ABW是通带绝对带宽，f_o是通带中心频率；k_i,j(i,j＝1,2,...)代表从源看去第i级和j级谐振器间的耦合系数。若要获得调谐过程中稳定的ABW，则需要稳定的k_i,jf_o。为此需要实现耦合系数k_i,j随通带中心频率f_o的下降而增加。

现有技术中谐振器之间的基本耦合有磁耦合和电耦合两种，实际物理实现时两种基本耦合均存在。理论上已经证明这两种耦合是相互抵消的，可以利用两种耦合的这一特性使得耦合系数随通带中心频率下降而增加。然而，现如今大部分具有恒定带宽的可调滤波器采用磁耦合为主、电耦合为辅的混合耦合方式。因之设计的可调滤波器见于诸多学术论文，如：“Sang-June Park；Rebeiz,G.M.,Low-Loss Two-Pole Tunable Filters WithThree Different Predefined Bandwidth Characteristics,in Microwave Theory andTechniques,IEEE Transactions on,vol.56,no.5,pp.1137-1148,May 2008”等。

目前，可调滤波器的高性能需求使得具有复杂交叉耦合结构的高阶滤波器成为科研工作者的研究热点。在具有复杂拓扑结构——尤其是交叉耦合的可调滤波器设计中，通常需要采用的谐振器既能够用于实现电耦合为主的耦合结构又能用于实现磁耦合为主的耦合结构，并且均满足耦合系数随中心频率下降而增加的恒定带宽需求。在高阶滤波器的设计和制造中，为了降低设计的难度和提高成品率，往往采用同一种谐振器来进行相互耦合。现有技术中全波长可调谐谐振器之间的耦合结构是以磁耦合为主，而基于同种谐振器用于实现电耦合为主的耦合结构尚未见报道。若能设计出这一电耦合结构，不仅在于发展出基于全波长可调谐谐振器的新型耦合结构，而且能够在实现复杂的拓扑结构的滤波器中起着至关重要的作用，为构建高阶复杂滤波器奠定基础。

发明内容

鉴于现有技术的需求，本发明的目的在于：提供基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构以及基于全波长可调谐谐振器形成的可调带通滤波器。此外，本发明还给出了一种性能更加优异，结构更加简单的基于全波长可调谐谐振器的磁耦合结构。上述两种耦合结构均满足耦合系数随中心频率下降而上升的条件，从而能够实现在比较宽的中心频率调谐范围内，带宽仍可以保持相对稳定；同时，本发明还进一步提供了基于上述新型耦合结构所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，有效提高了滤波器的频率选择性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

技术方案1：

一种基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构，其特征在于：包括左右对称设置的两个全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容端为开路端；其中：两个全波长可调谐谐振器通过远离调电容的两段微带线相互靠近形成电耦合结构。

本技术方案中电耦合结构的耦合长度在四分之一波长范围以内。

技术方案2：

进一步地，本技术方案基于上述电耦合结构提供一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，包括：上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板，其特征在于，所述上层金属微带结构包括左右对称设置的两段微带耦合馈线以及设置于两段微带耦合馈线之间的两个全波长可调谐谐振器；

单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容端为开路端；其中：两个全波长可调谐谐振器通过远离调电容的两段微带线相互靠近形成电耦合结构；

单段微带耦合馈线包括依次连接的第一耦合馈线、第二耦合馈线和第三耦合馈线，其中：第一耦合馈线和第二耦合馈线分别与其相靠近的微带线形成磁耦合馈电，第三耦合馈线远离第二耦合馈线的一端通过金属过孔与所述金属接地板连接，两段微带耦合馈线之间通过第三耦合馈线相互靠近形成磁耦合结构；两端传输微带线分别与两段微带耦合馈线中的第一耦合馈线相连接形成输入端口和输出端口。

本技术方案中电耦合结构的耦合长度在四分之一波长范围以内。

本技术方案是在电耦合结构的基础上形成的具有交叉耦合结构的可调谐滤波器，其中，通过将第三耦合馈线远离第二耦合馈线的一端通过金属过孔与金属接地板连接，能够实现源与负载之间的磁耦合，进而形成交叉耦合结构，使得从源到负载有两条通路。在通带的高频与低频处，由于从源分别经两条通路到达负载的能量将会在相位上相差180°，能量相互抵消无法传输通过，因此，在调谐范围内的所有频率响应均能够在通带高低频处各形成一个传输零点，进而达到提高频率选择性的目的。

技术方案3：

一种基于全波长可调谐谐振器的磁耦合结构，包括：左右对称设置的两个全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容端为开路端；其中：两个全波长可调谐谐振器通过可调电容两端的两段微带线相互靠近形成磁耦合结构。

本技术方案中磁耦合结构的耦合长度在四分之一波长范围以内。

技术方案4：

进一步地，本技术方案基于上述磁耦合结构提供一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，包括：上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板，其特征在于，所述上层金属微带结构包括左右对称设置的两段微带耦合馈线以及设置于两段微带耦合馈线之间的两个全波长可调谐谐振器；

单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容端为开路端；其中：两个全波长可调谐谐振器通过可调电容两端的两段微带线相互靠近形成磁耦合结构；

单段微带耦合馈线包括依次连接的第一耦合馈线、第二耦合馈线、第三耦合馈线和第四耦合馈线，其中：第一耦合馈线和第二耦合馈线分别与其相靠近的微带线形成磁耦合馈电，第一耦合馈线远离第二耦合馈线的一端通过金属过孔与所述金属接地板连接，两段微带耦合馈线之间通过第四耦合馈线相互靠近形成电耦合结构；两端传输微带线分别与两段微带耦合馈线中的第三耦合馈线相连接形成输入端口和输出端口。

本技术方案中磁耦合结构的耦合长度在四分之一波长范围以内。

本技术方案是在磁耦合结构的基础上形成的具有交叉耦合结构的可调谐滤波器，其中，两段第四耦合馈线之间相互耦合，能够实现源与负载之间的电耦合，进而形成交叉耦合结构，使得从源到负载有两条通路。在通带的高频与低频处，由于从源分别经两条通路到达负载的能量将会在相位上相差180°，能量相互抵消无法传输通过，因此，在调谐范围内的所有频率响应均能够在通带高低频处各形成一个传输零点，进而达到提高频率选择性的目的。

技术方案5：

一种高阶可调带通滤波器，包括：上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板，其特征在于，上层金属微带结构包括至少一个电磁耦合结构，所述电磁耦合结构包括顺次排列的三个全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及分别加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容的两端为开路端；位于中间的全波长可调谐谐振器与一侧全波长可调谐谐振器形成电耦合，与另一侧全波长可调谐谐振器形成磁耦合；

其中：两个全波长可调谐谐振器之间通过远离可调电容的两段微带线相互靠近形成电耦合结构，两个全波长可调谐谐振器之间通过可调电容两端的两段微带线相互靠近形成磁耦合结构。

本技术方案中电耦合结构和磁耦合结构的耦合长度均在四分之一波长范围以内。

上述所有技术方案中可调电容可以为变容式二极管、机械式可调电容、半导体数字可调电容等合适的可调电容；传输微带线的特性阻抗均为50欧姆。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构，本发明还给出了相比现有技术性能更加优异，结构更加简单的基于全波长可调谐谐振器的磁耦合结构；上述两种耦合结构均满足耦合系数随中心频率下降而上升的条件，从而能够实现在比较宽的中心频率调谐范围内，带宽仍可以保持相对稳定；此外，本发明提供了基于全波长可调谐谐振器的高阶带通滤波器，此高阶带通滤波器设计中的电磁耦合结构基于同种谐振器实现，即通过同种谐振器之间不同耦合方式既能实现电为主的耦合结构又能实现磁为主的耦合结构，基于同种谐振器实现的电磁耦合结构能够有效降低高阶复杂滤波器的设计难度，增加设计灵活度，并且在制作中提高了高阶复杂滤波器的成品率；同时也满足了调谐过程中带宽的稳定。

本发明还提供了基于上述两种新型耦合结构分别形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，通过在输入端和输出端口之间直接引入耦合，从而在两端口之间提供一条直接的传输路径，形成交叉耦合，使得在通带的高频与低频处产生传输零点，能够有效提高滤波器的频率选择性。

附图说明

图1为本发明所提供的基于全波长可调谐谐振器的耦合结构，其中，图1(a)为电耦合结构，图1(b)为磁耦合结构；

图2为本发明所提供电耦合结构在加载不同容值电容后单个全波长可调谐谐振器结构的半边电路的归一化电压、电流分布示意图；

图3为本发明基于电耦合结构微带可调谐振器所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器的电路结构示意图；

图4为本发明基于电耦合结构微带可调谐振器所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器电路的交叉耦合拓扑结构示意图；

图5为本发明所提供磁耦合结构在加载不同容值电容后单个全波长可调谐谐振器结构的半边电路的归一化电压、电流分布示意图；

图6为本发明基于磁耦合结构微带可调谐振器所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器的电路结构示意图；

图7为本发明基于磁耦合结构微带可调谐振器所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器电路的交叉耦合拓扑结构示意图；

图8为本发明所提供基于电耦合结构微带可调谐振器所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器的具体实施例1；

图9为本发明具体实施例1的仿真S参数；

图10为本发明具体实施例1的仿真带宽统计；

图11为本发明所提供基于磁耦合结构微带可调谐振器所形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器的具体实施例2；

图12为本发明具体实施例2的仿真S参数；

图13为本发明具体实施例2的仿真带宽统计；

图中101为第一微带线A，102为第二微带线A，103为第三微带线A，104为可调电容A，105为第四微带线A，106为第五微带线A，107为第六微带线A，108为耦合部分A，109为基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构，112为50欧姆特性阻抗微带传输线，113为第一耦合馈线A，114为第二耦合馈线A，115为第三耦合馈线A，116为金属过孔A，117为磁耦合结构A；201为第一微带线B，202为第二微带线B，203为第三微带线B，204为可调电容B，205为第四微带线B，206为第五微带线B，207为第六微带线B，210为耦合部分B，211为基于全波长可调谐谐振器的磁耦合结构，218为50欧姆特性阻抗微带传输线B，221为第一耦合馈线B，220为第二耦合馈线B，219为第三耦合馈线B，222为金属过孔B，223为第四耦合馈线B，224为电耦合结构B。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合说明书附图对本发明进行详细说明，以便于进一步了解本发明的技术原理：

如图1(a)所示，本发明提供了一种基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构109，包括：左右对称设置的第一全波长可调谐谐振器和第二全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括：可调电容A104及加载于所述可调电容A104两端的第一U型微带弯折线和第二U型微带弯折线，所述第一U型微带弯折线包括依次连接的第一微带线A101、第二微带线A102和第三微带线A103，第一微带线A101远离第二微带线A102的一端为开路，所述第二U型微带弯折线包括依次连接的第四微带线A105、第五微带线A106和第六微带线A107，第六微带线A107远离第五微带线A106的一端为开路；第一全波长可调谐谐振器两端的第一微带线A101以及第六微带线A107分别与第二全波长可调谐谐振器两端的第一微带线A101以及第六微带线A107相互耦合形成耦合部分A108。

本技术方案中全波长可调谐谐振器形成电耦合结构时，根据传输线理论，从第六微带线A的开路端到第一微带线A的开路端的电压(表征电场)分布和电流(表征磁场)分布分别呈全波余弦分布和全波正弦分布。第一微带线A与第六微带线A的开路端为可调谐谐振器的开路端，在开路端的电场最强、磁场最弱。理论上，以开路端为始端至四分之一波长范围以内长度，可调谐谐振器内部远离开路端的电场逐渐减弱、磁场逐渐增强。因此，当第一微带线A和第六微带线A的长度为合理值时，可以保证内部的电场分布大于其磁场分布。同时，随着可调电容A的增大，将导致可调谐谐振器的工作波长增大(工作频率降低)，其内部的电场和磁场分布将会拉伸，从而导致第一微带线A和第六微带线A中的电场增大、磁场降低，根据本发明具体实施例，形成本技术方案电耦合结构的可调谐谐振器之间的整体耦合系数随工作频率下降而增加。

根据传输线理论，本实施例中从第六微带线A107的开路端到第一微带线A101的开路端的电压(表征电场)分布和电流(表征磁场)分布分别呈全波余弦分布和全波正弦分布。第一微带线A与第六微带线A的开路端为可调谐谐振器的开路端，在开路端的电场最强、磁场最弱。理论上，以开路端为始端至四分之一波长范围以内长度，可调谐谐振器内部远离开路端的电场逐渐减弱、磁场逐渐增强。因此，当第一微带线A和第六微带线A的长度为合理值时，可以保证内部的电场分布大于其磁场分布。同时，随着可调电容A的增大，将导致可调谐谐振器的工作波长增大(工作频率降低)，其内部的电场和磁场分布将会拉伸，从而导致第一微带线A和第六微带线A中的电场增大、磁场降低。

结合图2，由于本实施例中单个谐振器是对称的，因此本实施例只分析单个全波长可调谐谐振器结构的半边电路即可，定义第四微带线A105、第五微带线A106和第六微带线A107的总长度为d₁，第六微带线A107的长度为s₁，所以电耦合结构中可调谐谐振器从各自的开路端形成耦合长度为2s₁的耦合结构。当可调电容A104的容值越大时，定义可调电容A104的等效长度为Δd₁，则Δd₁的值也就越大，工作频率越低，相应的电压和电流分布为V₁和I₁；当可调电容A104的容值越小时，定义可调电容A104的等效长度为Δd₂，则Δd₂的值也就越小，工作频率越高，相应的电压和电流分布为V₂和I₂。从图2可以看出：在长度为2s₁的耦合部分，电压分布明显大于电流分布，故而，此时为以电耦合结构为主的耦合类型；同时，随着频率的降低(即：全波长可调谐谐振器的等效长度的增加)，耦合部分的电压分布增大、电流分布减小，因此本发明提出的电耦合结构能够实现电耦合系数随着谐振频率的降低而增加，满足恒定绝对带宽要求，进而实现可调谐滤波器的绝对带宽在调谐过程中的稳定。

如图3所示，本发明提供了一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，包括：上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板；上层金属微带结构包括相互对称设置的第一微带耦合馈线和第二微带耦合馈线以及设置于两段微带耦合馈线之间左右对称的两个全波长可调谐谐振器；

其中：单个全波长可调谐谐振器包括可调电容A104及加载于所述可调电容A104两端的第一U型微带弯折线和第二U型微带弯折线，所述第一U型微带弯折线包括依次连接的第一微带线A101、第二微带线A102和第三微带线A103，第一微带线A101远离第二微带线A102的一端为开路，所述第二U型微带弯折线包括依次连接的第四微带线A105、第五微带线A106和第六微带线A107，第六微带线A107远离第五微带线A106的一端为开路；

第一全波长可调谐谐振器两端的第一微带线A101以及第六微带线A107分别与第二全波长可调谐谐振器两端的第一微带线A101以及第六微带线A107之间构成耦合部分A108；

单段微带耦合馈线包括依次连接的第一耦合馈线A113、第二耦合馈线A114和第三耦合馈线A115，其中：第一耦合馈线A113和第二耦合馈线A114通过磁耦合分别与其靠近的第二微带线A102、第三微带线A103和第四微带线A105形成磁耦合馈电；两段微带耦合馈线之间通过第三耦合馈线A115相互耦合，并且第三耦合馈线A115远离第二耦合馈线A114的一端通过金属过孔A116与所述金属接地板连接；两段微带传输线A112分别与两段微带耦合馈线中第一耦合馈线A113相连接形成输入端口和输出端口。

本实施方式是基于上述电耦合结构提出的一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器电路，其拓扑结构如图4所示：根据电磁学的理论，电耦合将会使能量的相位-90°，磁耦合将会使能量的相位+90°；对带通滤波器，在通带高频处能量会发生-90°相移，低频处会发生+90°相移。因此，交叉耦合使得源到负载有两条通路，第一条是通过源与负载的耦合，由于是磁耦合，所以到达负载的能量相位是+90°；第二条路是通过源到谐振器到负载。在高频处，通过第二条通路到达负载的能量的相位是+90°-90°-90°-90°+90°＝-90°，所以两条通路到达负载的能量相位相差180°，刚好抵消，于是在高频处产生一个传输零点。在低频处，通过第二条通路到达负载的能量的相位是+90°+90°-90°+90°+90°＝-90°，所以两条通路到达负载的能量相位也相差180°，刚好抵消，于是在低频处也产生一个传输零点。本发明采用在输入端和输出端之间引入耦合，其中具体是通过将第三耦合馈线A115远离第二耦合馈线A114的一端通过金属过孔A与金属接地板连接，两段第三耦合馈线A115之间形成磁耦合结构A117，进而形成交叉耦合结构，使得从源到负载有两条通路；传输零点的产生能够提高可调带通滤波器的频率选择性，降低带外抑制，提高过渡带的陡峭度；同时有利于实现滤波器的小型化。

如图1(b)所示，本发明提供了一种基于全波长可调谐谐振器的磁耦合结构211，包括：左右对称设置的第一全波长可调谐谐振器和第二全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括：可调电容B204及加载于所述可调电容B204两端的第一U型微带弯折线和第二U型微带弯折线，所述第一U型微带弯折线包括依次连接的第一微带线B201、第二微带线B202和第三微带线B203，第一微带线B201远离第二微带线B202的一端为开路，所述第二U型微带弯折线包括依次连接的第四微带线B205、第五微带线B206和第六微带线B207，第六微带线B207远离第五微带线B206的一端为开路；第一全波长可调谐谐振器的第三微带线B203以及第四微带线B205分别与第二全波长可调谐谐振器两端的第三微带线B203以及第四微带线B205相互耦合形成耦合部分B210。

根据传输线理论，本实施例中从第六微带线B207的开路端到第一微带线B201的开路端的电压(表征电场)分布和电流(表征磁场)分布分别呈全波余弦分布和全波正弦分布。磁耦合结构中的第三微带线B与第四微带线B内磁场极强、电场极弱。当第三微带线B和第四微带线B的长度为合理值时，若可调电容B的容值在一定范围内变化，可保证其内部磁场分布大于电场分布。同时，随着可调电容B的增大，将导致可调谐谐振器的工作波长增大(工作频率降低)，其内部的电场和磁场分布将会拉伸，从而导致第三微带线B和第四微带线B中的电场降低、磁场增强，根据本发明具体实施例，形成本技术方案磁耦合结构的可调谐谐振器之间的整体耦合系数随工作频率下降而增加。

结合图5，由于本实施例中单个谐振器是对称的，因此本实施例只分析单个全波长可调谐谐振器结构的半边电路即可，定义第四微带线B205、第五微带线B206和第六微带线B207的总长度为d₂，第四微带线B205的长度为s₂，所以磁耦合结构中可调谐谐振器从各自的开路端形成耦合长度为2s₂的耦合结构。当可调电容B204的容值越大时，定义可调电容B204的等效长度为Δd₃，则Δd₃的值也就越大，工作频率越低，相应的电压和电流分布为V₃和I₃；当可调电容B204的容值越小时，定义可调电容B204的等效长度为Δd₄，则Δd₄的值也就越小，工作频率越高，相应的电压和电流分布为V₄和I₄。从图5可以看出：在长度为2s₂的耦合部分，电流分布明显大于电压分布，故而，此时为以磁耦合结构为主的耦合类型；同时，随着频率的降低(即：全波长可调谐谐振器的等效长度的增加)，耦合部分的电流分布增大、电压分布减小，因此本发明提出的磁耦合结构能够实现磁耦合系数随着谐振频率的降低而增加，满足恒定绝对带宽要求，进而实现可调谐滤波器的绝对带宽在调谐过程中的稳定。

如图6所示，本发明提供了一种基于交叉耦合结构的可调带通滤波器，包括：上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板；上层金属微带结构包括相互对称设置的第三微带耦合馈线和第四微带耦合馈线以及设置于两段微带耦合馈线之间左右对称的两个全波长可调谐谐振器；

其中：单个全波长可调谐谐振器包括可调电容B204及加载于所述可调电容B204两端的第一U型微带弯折线和第二U型微带弯折线，所述第一U型微带弯折线包括依次连接的第一微带线B201、第二微带线B202和第三微带线B203，第一微带线B201远离第二微带线B202的一端为开路，所述第二U型微带弯折线包括依次连接的第四微带线B205、第五微带线B206和第六微带线B207，第六微带线B207远离第五微带线B206的一端为开路；

第一全波长可调谐谐振器的第三微带线B203以及第四微带线B205分别与第二全波长可调谐谐振器两端的第三微带线B203以及第四微带线B205之间构成磁耦合结构；

单段微带耦合馈线包括依次连接的第一耦合馈线B221、第二耦合馈线B220、第三耦合馈线B219和第四耦合馈线B223，其中：第一耦合馈线B221和第二耦合馈线B220通过磁耦合分别与其靠近的所述第一微带线B201、第六微带线B207和第二微带线B202形成磁耦合馈电；两段微带耦合馈线之间通过第四耦合馈线B223相互耦合，并且第一耦合馈线B221远离第二耦合馈线B220的一端通过金属过孔B222与所述金属接地板连接；两段微带传输线B218分别与两段微带耦合馈线中第三耦合馈线B219和第四耦合馈线B223相连形成输入端口和输出端口。

本实施方式是基于磁耦合结构提出的一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器电路，其拓扑结构如图7所示：根据电磁学的理论，电耦合将会使能量的相位-90°，磁耦合将会使能量的相位+90°；对带通滤波器，在通带高频处能量会发生-90°相移，低频处会发生+90°相移。因此，交叉耦合使得源到负载有两条通路：第一条是通过源与负载的耦合，由于是电耦合，所以到达负载的能量相位是-90°；第二条路是通过源到谐振器到负载。在高频处，通过第二条通路到达负载的能量的相位是+90°-90°+90°-90°+90°＝+90°，所以两条通路到达负载的能量相位相差180°，刚好抵消，于是在高频处产生一个传输零点。在低频处，通过第二条通路到达负载的能量的相位是+90°+90°+90°+90°+90°＝+90°，所以两条通路到达负载的能量相位也相差180°，刚好抵消，于是在低频处也产生一个传输零点。本发明采用在输入端和输出端之间引入耦合，其中具体是将两段第四耦合馈线B223之间相互耦合从而实现源与负载之间的电耦合结构B224，进而形成交叉耦合结构，使得从源到负载有两条通路；传输零点的产生能够提高可调带通滤波器的频率选择性，降低带外抑制，提高过渡带的陡峭度；同时有利于实现滤波器的小型化。

实施例1：

如图8为基于本发明电耦合结构形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器的具体实施例；在这个具体实施方案中采用变容二极管SMV1130作为可调电容，即图9中每个变容二极管均为SMV1130，并且每个变容二极管的阳极通过一个51kΩ的电阻接地，阴极通过相应谐振器连接一个51kΩ电阻与一个扇形金属片相连接，在所述扇形金属片上加载电压Vc偏置。当Vc在0～25V变化时，SMV1130的等效容值可在约27.6pF～1.8pF之间变化。本实施例中介质基板采用相对介电常数为2.65、损耗正切角为0.001、厚度为0.8mm的聚四氟乙烯材料微波衬底。通过设定特定的微带结构参数，可获得不同频段、带宽的响应特性。结合图3将相应的第一微带线至第六微带线(即图3中101～103，105～107)所构成的无源结构的尺寸设定为宽为1.4mm、总长为28.1mm。

如图9所示仿真结果为按照上述参数设计出来的可调带通滤波器的传输特性S21和反射特性S11。传输特性与反射特性曲线中的横轴表述频率，纵轴表示传输特性S21和反射特性S11。从图9中可以看出本发明实施例滤波器的频率响应实现了在通带高低频处存在各一个传输零点，具有很好的频率选择性。上述结果说明本发明所采用的交叉耦合拓扑结构是可行的。

图10为本实施例的仿真带宽统计，从图中可以看出：本发明实施例实现了其通带在1.872GHz～2.199GHz间可调谐；其绝对带宽在76MHz～81MHz之间变化，波动较小，非常稳定。同时，本发明实施例所提供滤波器的相对带宽随着调谐频率的降低而增加，说明耦合系数随谐振频率降低而增加。

实施例2：

如图11为基于本发明磁耦合结构形成具有交叉耦合结构的可调带通滤波器的具体实施例；在这个具体实施方案中采用变容二极管SMV1130作为可调电容，即图12中每个变容二极管均为SMV1130，并且每个变容二极管的阳极通过一个51kΩ的电阻接地，阴极通过相应谐振器连接一个51kΩ电阻与一个扇形金属片相连接，在所述扇形金属片上加载电压Vc偏置。当Vc在0～25V变化时，SMV1130的等效容值可在约27.6pF～1.8pF之间变化。本实施例中介质基板采用相对介电常数为2.65、损耗正切角为0.001、厚度为0.8mm的聚四氟乙烯材料微波衬底。通过设定特定的微带结构参数，可获得不同频段、带宽的响应特性。结合图6将相应的第一微带线至第六微带线(即图6中201～203，205～207)所构成的无源结构的尺寸设定为宽为1.4mm、总长为28.1mm。

如图12所示仿真结果为按照上述参数设计出来的可调带通滤波器的传输特性S21和反射特性S11。传输特性与反射特性曲线中的横轴表述频率，纵轴表示传输特性S21和反射特性S11。从图12中可以看出本发明实施例滤波器的频率响应实现了在通带高低频处存在各一个传输零点，具有很好的频率选择性。上述结果说明本发明所采用的交叉耦合拓扑结构是可行的。

图13为本实施例的仿真带宽统计，从图中可以看出：本发明实施例实现了其通带在1.801GHz～2.121GHz间可调谐；其绝对带宽在91MHz～95MHz之间变化，波动较小，非常稳定。同时，本发明实施例所提供滤波器的相对带宽随着调谐频率的降低而增加，说明耦合系数随谐振频率降低而增加。

综上所述，本实施例证明了基于本发明所提供新型全波长谐振器的耦合方式既能够用于以磁耦合为主的恒定带宽可调滤波器，也能够用于以电耦合为主的恒定带宽可调滤波器。基于上述性质，本发明在高阶滤波器设计中可得到广泛的应用。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构，其特征在于：包括左右对称设置的两个全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容端为开路端；其中：两个全波长可调谐谐振器通过远离可调电容的两段微带线相互靠近形成电耦合结构。

2.根据权利要求1所述基于全波长可调谐谐振器的电耦合结构，其特征在于，所述电耦合结构的耦合长度在四分之一波长范围以内。

3.一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，包括上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板，其特征在于，所述上层金属微带结构包括左右对称设置的两段微带耦合馈线以及设置于两段微带耦合馈线之间的两个全波长可调谐谐振器；

单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容端为开路端；其中：两个全波长可调谐谐振器通过远离调电容的两段微带线相互靠近形成电耦合结构；

单段微带耦合馈线包括依次连接的第一耦合馈线、第二耦合馈线和第三耦合馈线，其中：第一耦合馈线和第二耦合馈线分别与其相靠近的微带线形成磁耦合馈电，第三耦合馈线远离第二耦合馈线的一端通过金属过孔与所述金属接地板连接，两段微带耦合馈线之间通过第三耦合馈线相互靠近形成磁耦合结构；两端传输微带线分别与两端微带耦合馈线中的第一耦合馈线相连接形成输入端口和输出端口。

4.根据权利要求3所述一种具有交叉耦合结构的可调带通滤波器，其特征在于，所述电耦合结构的耦合长度在四分之一波长范围以内。

5.一种高阶可调带通滤波器，包括：上层金属微带结构，中间层介质基板和下层金属接地板，其特征在于，上层金属微带结构包括至少一个电磁耦合结构，所述电磁耦合结构包括顺次排列的三个全波长可调谐谐振器，单个全波长可调谐谐振器包括可调电容及分别加载于可调电容两端的U型弯折微带线，所述U型弯折微带线远离可调电容的两端为开路端；位于中间的全波长可调谐谐振器与一侧全波长可调谐谐振器形成电耦合，与另一侧全波长可调谐谐振器形成磁耦合；

其中：两个全波长可调谐谐振器之间通过远离可调电容的两段微带线相互靠近形成电耦合结构，两个全波长可调谐谐振器之间通过可调电容两端的两段微带线相互靠近形成磁耦合结构。

6.根据权利要求5所述的高阶可调带通滤波器，其特征在于，电耦合结构和磁耦合结构的耦合长度均在四分之一波长范围以内。