CN107331927A - 一种小型化宽带电调腔体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化宽带电调腔体滤波器，解决传统电调滤波器不能实现在宽频带内调谐，及尺寸大的问题。其结构包括五级级联谐振器，每级谐振器开路端设方形内腔，底部一侧开矩形切口，谐振器开路端加载L形枝节，减小了尺寸；调谐螺杆一端旋入方形内腔内部，另一端穿过介质基板上金属片的中心电连接，金属片与接地金属环间依次通过四个电容—焊盘—PIN开关连接；每级谐振器对四个电容选组加载实现谐振频率调谐，五谐振器中相同电容的PIN开关共用一个直流偏置电压源，控制四个电压源的通断，实现滤波器的快速调频。本发明实现了宽频带内可调。本发明小型化，宽带可调，作为微波电路的基础元件，应用于无线通信系统射频前段。

Description

一种小型化宽带电调腔体滤波器

技术领域

本发明属于微波滤波器技术领域，特别涉及电调滤波器，具体是一种小型化宽带电调腔体滤波器，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术

近年来，无线通信得到迅速发展，各种通信业务在不同频段应运而生,尤其在雷达、电子对抗等调频通信系统中，需要支持多带、多模的可重构射频前端来覆盖各种通信系统的数据传输。可调射频滤波器件是可重构射频前端的核心关键器件之一，承担着特定频率选择或特定频率抑制的作用。因此,研究高无载品质因数、宽可调范围、高调谐速度、高频选特性和小型化等特性的可调射频滤波器件具有重要的意义。

可调滤波器最早出现于20世纪40年代，作为电子对抗战中一种新型的微波器件，主要应用于微波通信系统中。然而可调滤波器最初的性能比较差，主要表现在可调范围小和体积大等。在整个调谐过程中，不能维持较好的通带性能，并且由于一直是采用机械或磁材料进行可调谐，所以滤波器存在调谐速度慢、调频不准确等问题。

2013年S.Fouladi,F.Huang等人在IEEE Trans.Microwave Theory Tech期刊(vol.61,pp.393-402,Feb.2013)上发表了“High-Q narrowband tunable comblinebandpass filters using MEMS capacitor banks and piezomotors”，提出了一种电调同轴腔体带通滤波器，采用在腔外加载射频微机电电容组，通过射频微机电系统RF-MEMS控制电路，实现了一个六级窄带可调带通滤波器，具备结构紧凑，调谐速度快的特点，该滤波器工作在2.634GHz到2.59GHz频段，调谐范围只有44MHz，其存在调谐范围过小，体积仍然较大的缺点。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种高功率容量，高Q值，更宽的频率范围内可调的小型化宽带电调带通滤波器。

本发明是一种小型化宽带电调腔体滤波器，包括金属腔体，谐振器，调谐螺杆，介质基板，介质基板上打有金属过孔，馈电采用直接抽头，介质基板安装于金属腔体顶部外侧，介质基板上排列有五个电调控制单元，每个电调控制单元通过调谐螺杆连接金属腔体内部位于同一纵列上的谐振器，电调控制单元中，金属片与接地金属环之间依次连接电容，焊盘，PIN开关，通过直流偏置电路控制PIN开关通断，其特征在于：小型化宽带电调腔体滤波器为宽频段内可调滤波器，谐振器开路端设有方形内腔，方形内腔底部一侧开有矩形切口断面，调谐螺杆底端通过谐振器开路端顶部螺孔旋入方形内腔内部，调谐螺杆顶端穿过金属腔顶部外侧介质基板上的金属片的中心孔，并与之电连接，谐振器开路端底部加载了一个L形金属枝节。

本发明在谐振器开路端顶部设有一个底部一侧开矩形切口的方形内腔，通过将调谐螺杆底端螺孔旋入方形内腔的连接方式实现了宽频带调谐，同时在谐振器开路端底部加载L形枝节，对滤波器的尺寸进行缩减，实现小型化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1，本发明采用腔体滤波器外部加载PCB可调电路结构，因为腔体结构，其介质损耗小，辐射损耗小，同时本发明的可调电路结构全部集成在腔外的介质基板5上，减少了腔体内结构的复杂度和额外的损耗，所以具备了高Q值、高功率容量、低插损等优点；

2，本发明在谐振器2开路端设有一个底部一侧开有矩形切口面的方形内腔22，调谐螺杆4通过谐振器2开路端顶部螺孔旋入方形内腔22腔内，与方形内腔22内腔壁之间有电容效应，通过调节调谐螺杆4的伸入长度来增强或减弱这个电容效应，对谐振器2的谐振频率起到微调的作用。通过在AWR中进行电路级建模仿真，结果证明调谐螺杆4与谐振器2之间的电容值大小决定了滤波器可调谐的频率范围，本发明采用的调谐螺杆4与谐振器2的这种直接连接方式，解决了这一难题，实现了宽频段的调谐范围。

3，本发明通过电容加载和L型枝节加载相结合的方式来实现小型化。谐振器2的谐振频率电容加载，增大了分母中的电容C，谐振频率f降低，L形枝节加载属于开路枝节加载，等效一个并联电容C，同样增大了中分母的电容C的值，谐振频率f减小，在谐振器尺寸不变的情况下，通过这俩种方式，降低了其谐振频率，缩减了谐振器的尺寸，进而减小了整个带通滤波器的体积，实现了小型化。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1的正面结构图；

图3位图1的侧视图；

图4为直流偏置控制电路结构图；

图5为本发明实例仿真传输响应S₁₁曲线图；

图6为本发明实例仿真反射响应S₂₁曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细说明：

实施例1

近年来，无线通信得到迅速发展，各种通信业务在不同频段应运而生,尤其在雷达、电子对抗等调频通信系统中，需要支持多带、多模的可重构射频前端来覆盖各种通信系统的数据传输。可调射频滤波器件是可重构射频前端的核心关键器件之一，承担着特定频率选择或特定频率抑制的作用。因此,研究高无载品质因数、宽可调范围、高调谐速度、高频选特性和小型化等特性的可调射频滤波器件具有重要的意义。可调滤波器主要分为两种：机械调谐与电调谐。机械调谐式的滤波器具有高无载品质因数、宽可调范围的优点，但是存在调谐速度慢，滤波器体积大的缺点。而一般常见的微带结构的电调滤波器，虽然具有尺寸小，调谐速度快等优点，但是存在功率容量小，插损大，无载Q值低的缺点。2013年S.Fouladi,F.Huang等人提出了一种电调同轴腔体带通滤波器，具备了高功率容量，高无载品质因数，调谐速度快的优点，但是调谐范围过小，在2.634GHz到2.59GHz频段，调谐范围只有44MHz。

本发明根据客观实际需要以及现有技术存在的不足提出一种更宽的频率范围内可调的小型化宽带电调腔体滤波器，参见图1，本发明的滤波器包括金属腔体1，谐振器2，调谐螺杆4，介质基板5，介质基板5上打有金属过孔6，馈电采用直接抽头7，介质基板5安装于金属腔体1顶部外侧，介质基板5上排列有五个电调控制单元，每个电调控制单元通过调谐螺杆4连接金属腔体内部同一纵列上的谐振器2；电调控制单元中，金属片8与接地金属环12之间依次连接电容9，焊盘10，PIN开关11，通过直流偏置电路13控制PIN开关11通断，参见图1，谐振器2开路端设有方形内腔22，方形内腔22底部一侧开有矩形切口断面，调谐螺杆4底端通过谐振器2开路端顶部螺孔旋入方形内腔内部22，调谐螺杆4在方形内腔22内与其内壁不接触，调谐螺杆4顶端穿过金属腔体1顶部外侧介质基板5上的金属片8的中心孔，并与之电连接。

本发明中调谐螺杆4一端通过谐振器2开路端顶部的螺孔旋入方形内腔22内部，参见图2，与内壁不接触，调谐螺杆4的顶端穿过金属腔体1顶部腔体壁，与金属腔体1顶部金属壁之间通过相对介电常数为2.1的介质材料Teflon隔开，调谐螺杆4顶端穿过金属腔体1顶部外侧介质基板5上的金属片8的中心孔，并与金属片8电连接，参见图1。传统的滤波器包括2013年S.Fouladi,F.Huang等人提出的电调同轴腔体带通滤波器，采用的都是调谐螺杆与谐振器不接触的方式，它们之间的电容值很小，导致可调频段很窄，而本发明采用的调谐螺杆与谐振器的这种直接连接方式，解决了这一技术难题，实现了宽频段的调谐范围。

实施例2

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实施例1，本发明谐振器2开路端的方形内腔22，其底部一侧开有切口断面，该切口断面缝宽为0.5mm-2mm，参见图2，如果没有这个切口断面，电场主要集中在谐振器2开路端金属壁外侧，在方形内腔22内部电场很弱，调谐螺杆4伸入方形内腔22内部与内腔壁之间的电容值很小，对谐振器2的频率影响很小，起不到频率微调的作用。而开有这个切口断面，使矩形体21和在其上端设置的方形内腔22实际上形成SIR阶梯阻抗谐振器，矩形体21是低阻抗线部分，方形内腔22实际由谐振器2开路端部分的高阻抗线部分弯折形成，电场主要分布在这一段高阻抗线周围，这样会增强方形内腔22内部电场，调谐螺杆4旋入该腔内，与内腔壁之间会产生更强电容效应，通过调节调谐螺杆4的伸入长度来增强或减弱这个电容效应，可以对谐振器的谐振频率起到微调的作用。

实施例3

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实施例1-2，参见图3，在谐振器2开路端底部加载L形金属枝节，L形枝节相当于一个开路枝节，等效一个并联电容C，L形金属枝节的加载使谐振器的长度L₂不变的情况下，增大了中分母的电容C的值，谐振频率f降低，实现小型化。每一级谐振器因为周围环境的不同，谐振频率会偏移，通过调节L形枝节3的长度能够将每一级谐振器的谐振频率校准到设计的中心频率，参见图2。

本例中谐振器2开路端的方形内腔22，其底部一侧切口断面缝宽为1mm。

实施例4

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实施例1-3，参见图1，介质基板5上排列有五个电调控制单元，每个电调控制单元通过调谐螺杆4连接金属腔体1内部同一纵列的谐振器2。每个电调控制单元包含有安装于介质基板5上的金属片8，四个电容9，四个焊盘10，四个PIN开关11，一个接地金属环12，参见图4，四个电容9分别焊接于金属片8四个边角处,左上角为电容C₁，左下角为电容C₂，右上角为电容C₃，右下角为电容C₄，每个电容9都有一个自己的焊盘10，电容9一端焊接在金属片8的边角上，另一端焊接在各自的焊盘10上，每个焊盘10与同一个接地金属环12之间焊接有一个PIN开关11，也就是每个电容9都有单独的PIN开关11。五个谐振器2的电调控制单元的等容值电容9的PIN开关11共用一个直流偏置电压源132控制通断。例如五个电调控制单元的电容C₁的PIN开关共用直流偏置电压源V₁控制通断，打开电压源V₁，所有谐振器C₁的PIN开关导通，每个谐振器同时加载电容C₁；断开电压源V₁，所有谐振器C₁的PIN开关断开，所有谐振器同时断开与电容C₁的连接，不再加载电容C₁。本发明中直流偏置电压源V₂，V₃，V₄的功能依次类推，参见图4。本例中谐振器2开路端的方形内腔22，其底部一侧切口断面缝宽为1mm。

实施例6

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实施例1-5，参见图4，直流偏置电路13由直流偏置电压源132连接五个并联的扼流电感131组成，每个扼流电感131的一端连接在与其对应的谐振器等容值电容的焊盘10上，另一端连接在直流偏置电压源132的正极，直流偏置电压源132的负极接地。共有四个这样的直流偏置电压源132，直流偏置电压源132依次为V₁,V₂,V₃,V₄,偏置电压源V₁控制着五个谐振器电调控制单元电容C₁的PIN开关的通断，偏置电压源V₁打开时，五个谐振器同时加载电容C₁，电压源V₁断开时，五个谐振器同时断开与电容C₁的连接，不再加载电容C₁，直流偏置电压源V₂,V₃,V₄的作用依次类推。

实施例7

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实施例1-6，本发明属于一种宽频段内可电调的滤波器，具体小型化宽带电调腔体滤波器的调频方法，是将这个滤波器的宽频带划分为N个窄频段，每个窄频段对应一个中心谐振频率f_i，对于这N个窄频带中任一窄频带N_i(i＝1,2,3...)，将每一级谐振器的谐振频率通过改变加载电容的容值调谐到这一窄频带N_i的中心频率f_i(i＝1,2,3...)，将通带切换到这一窄频段N_i。本发明中每一级谐振器加载有四个电容(C₁，C₂，C₃，C₄)，这四个电容通过组合可以形成最多十五组电容值，如C₁，C₂，C₃，C₄，C₁+C₂，C₁+C₃，C₂+C₄，C₁+C₂+C₃，C₁+C₂+C₃+C₄等，每一个电容组G_i(i＝1,2,3...)对应一个中心谐振频率f_i。

步骤1：根据需要通过的中心谐振频率f_i，确定使每一级谐振器的谐振频率调谐到中心谐振频率f_i的加载电容组G_i；

步骤2：将确定的电容组G_i加载到谐振器上，例如电容组C₁+C₂，只需将电容C₁，C₂的PIN开关导通，C₃和C₄的PIN开关断开，这个电容组就加载到谐振器上，谐振器的谐振频率调谐到该频率处，其他电容组加载方法与其一样；

步骤3：为了实现每一级谐振器的谐振频率同步调谐到该中心谐振频率f_i处，需要每一个谐振器同时加载这个电容组G_i，打开G_i中每一个电容C_i对应的直流偏置电压源V_i即可，四个电压源中其他的电压源断开。例如将C₁+C₂这个电容组加载到每个谐振器上，，导通直流偏置电压源V₁和V₂，断开电压源V₃和V₄即可。

本发明的调频方法只需要控制四个直流偏置电压源132(V₁,V₂,V₃,V₄)的通断，就可以同步对五个谐振器2的电调控制部分加载的相同电容组合进行重新组合，实现五个谐振器2的谐振频率同步调谐到相同的频率，实现滤波器通带的快速变换。

下面给出一个更加完整和详实的例子，对本发明及其技术效果进一步说明

实施例8

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实例1-7，本发明滤波器采用级联的设计思路。所见金属腔体1是铜制金属腔体1，其中长L＝70mm，宽W＝132.8mm，高H＝18mm,介质基板厚度为1mm，介质采用相对介电常数为2.1的材料Teflon。

图1所示每个谐振器2包含有矩形体21，在矩形体21的顶端设置的方形内腔22。谐振器2开路端底部加载L型枝节3加载。谐振器2长度L₂＝65mm，宽度W₁＝10mm，高H₁＝5mm，参见图2与图3。第一级和最后一级谐振器因为直接抽头加载的原因，导致谐振频率会偏离设计的中心频率315MHz，所以通过控制加载L枝节3的长度来调节，第二级，第三级，第四级同样存在谐振频率偏移的问题，采用相同的方法，来校正其谐振频率到所设计的中心频率315MHz。

参见图2，本实施例中从第一级到第五级谐振器2加载的L枝节的长度分别为：L₁₁＝35.6mm，L₁₂＝30mm，L₁₃＝29mm，L₁₄＝30mm，L₁₅＝35.6mm。所有L枝节3与谐振器2开路端连接部分既L的短臂部分高H₂＝6mm，L枝节3长臂部分厚度为H₃＝2mm，参见图3。本实施例中第一级谐振器2与金属腔体1左侧壁距离为W₂＝16mm，第五级谐振器2与金属腔体右侧壁1距离为W₂＝16mm。调谐螺钉4的长度L₃＝24mm。第一级谐振器2与第二级谐振器2相隔距离为gap₁＝11.4mm，第二级谐振器2与第三级谐振器2之间的距离为gap₂＝14mm，本滤波器结构是左右对称的，第三级谐振器2与四级谐振器之间距离为gap₂＝14mm，第四级谐振器2与第五级谐振器2之间距离为gap₁＝11.4mm，参见图2。

下面通过仿真和数据对本发明的技术效果再做说明

实施例9

小型化宽带电调腔体滤波器的总体构成和结构同实例1-8，

本发明滤波器采用级联的设计思路。参见图2，金属腔体1是铜制金属腔体1，金属腔体长L＝70mm，宽W＝132.8mm，高H＝18mm，介质基板厚度为1mm，介质采用相对介电常数为2.1的teflon。

通过三维电磁仿真软件HFSS对本实施例中的滤波器进行建模仿真，得到中心频率315MHz处的传输响应S₂₁曲线和反射响应S₁₁曲线，并通过增加和减小谐振器加载电容值大小，得到滤波器分别工作在低于和高于315MHz俩个频率处的传输响应S₂₁曲线和反射响应S₁₁曲线。传输参响应S₂₁曲线见图5和反射响应S₁₁曲线见图6。

每个谐振器2加载的电容值为10pF时，由滤波器的传输参响应S₂₁曲线见图5中的实线曲线可以看出，此时滤波器工作在中心频率315MHz处，插入损耗低，带外抑制较好，反射响应S₁₁曲线见图6中实线曲线，可以看出带内回波损耗在22dB以上，通带性能较好。

每个谐振器2加载的电容值为15pF时，由滤波器的传输参响应S₂₁曲线见图5中的破折号曲线可以看出，此时滤波器工作在中心频率274.1MHz处，插入损耗低，带外抑制较好，反射响应S₁₁曲线见图6中破折号曲线，可以看出带内回波损耗在20dB左右，通带性能较好。

每个谐振器2加载的电容值为5pF时，由滤波器的传输参响应S₂₁曲线见图5中的圆点曲线可以看出，此时滤波器工作在中心频率382.4MHz处，插入损耗低，带外抑制较好，反射响应S₁₁曲线见图6中圆点曲线，在385.6MHz到388.7MHz频段，回波损耗大于7dB小于10dB，带内其余频率处回波损耗在10dB以上，通带性能一般，因为本实例并不是本发明滤波器最佳设计实例，且传输响应S₂₁较好，基本上达到设计要求。

2013年S.Fouladi,F.Huang等人提出了的一种电调同轴腔体带通滤波器，该滤波器工作在2.634GHz到2.59GHz频段，调谐范围只有44MHz，而本发明滤波器工作在200MHZ到400MHz频段，仅从这个三个工作状态本发明滤波器的调谐范围从274.1Mhz到382.4Mhz达到了108Mhz，实现了宽频带内的调谐。

简而言之，本发明公开了一种小型化宽带电调腔体滤波器，解决传统电调滤波器不能实现在宽频带内调谐，及尺寸大的问题。其结构包括五级级联谐振器，每级谐振器开路端设方形内腔，底部一侧开矩形切口，谐振器开路端加载L形枝节，减小了尺寸；调谐螺杆一端旋入方形内腔内部，另一端穿过介质基板上金属片的中心电连接，金属片与接地金属环间依次通过四个电容—焊盘—PIN开关连接；每级谐振器对四个电容选组加载实现谐振频率调谐，五谐振器中相同电容的PIN开关共用一个直流偏置电压源，控制四个电压源的通断，实现滤波器的快速调频。本发明实现了274.1MHz到382.4MHz宽频带内可调。本发明小型化，宽带可调，作为微波电路的基础元件，应用于无线通信系统射频前段。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小型化宽带电调腔体滤波器，包括金属腔体(1)，谐振器(2)，调谐螺杆(4)，介质基板(5)，介质基板上打有金属过孔(6)，馈电采用直接抽头(7)，介质基板(5)安装于金属腔体(1)顶部外侧，介质基板(5)上排列有五个电调控制单元，每个电调控制单元通过调谐螺杆(4)连接金属腔体(1)内部位于同一纵列上的谐振器(2)，电调控制单元中，金属片(8)与接地金属环之间(12)依次连接电容(9)，焊盘(10)，PIN开关(11)，通过直流偏置电路(13)控制PIN开关(11)通断，其特征在于：小型化宽带电调腔体滤波器为宽频段内可电调滤波器，谐振器(2)开路端设有方形内腔(22)，方形内腔(22)底部一侧开有矩形切口断面，调谐螺杆(4)底端通过谐振器(2)开路端顶部螺孔旋入方形内腔(22)内部，调谐螺杆4顶端穿过金属腔体(1)顶部外侧介质基板(5)上的金属片(8)的中心孔并与之电连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带电调腔体滤波器，其特征在于，所述谐振器(2)开路端的方形内腔22，其底部一侧开有切口断面，该切口断面缝宽为0.5mm-2mm。

3.根据权利要求1所述的一种小型化宽带电调腔体滤波器，谐振器(2)开路端底部加载L形金属枝节(3)，L形金属枝节(3)的加载使谐振器的长度L₂不变的情况下，谐振频率降低；每一级谐振器因为各自周围环境的不同，谐振频率会偏移，偏移量也不同，通过调节加载L形枝节(3)的长度来校准谐振频率。