CN107425239B - 一种可重构带通滤波器及其制作方法 - Google Patents

一种可重构带通滤波器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可重构带通滤波器及其制作方法。该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个以上滤波器单元，相邻的两个滤波器单元之间连接有放大器单元；滤波器单元为频率可重构滤波器单元；放大器单元为增益可重构放大器单元。通过级联两个以上频率可重构滤波器单元，并在相邻的频率可重构滤波器单元之间引入增益可重构放大器单元，解决了多级滤波器单元的级间匹配问题，实现了频率、带宽和增益兼可重构的带通滤波器，控制简单方便，有利于射频前端的一体化、模块化和小型化，有利于进一步控制成本以及便于批量生产。

Description

一种可重构带通滤波器及其制作方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种可重构带通滤波器及其制作方法。
背景技术
在6GHz以下的频段，拥挤着各种制式的无线通信系统(如GSM、GPS、 WCDMA、TD-SCDMA、LTE)和无线局域网(WLAN)等，因此支持多种制式无线通信的多频多模射频技术成为研究和应用热点。滤波器作为射频收发机的一个关键元件，承担着频率选择或者频率抑制的作用。若在多频多模射频收发机中采用多组滤波器，不但成本高而且也不利于小型化。因此，频率和带宽可重构带通滤波器就成为解决以上问题的有效手段。
因此，随着可重构滤波器的发展以及实际应用的需要，许多研究者开始关注频率和带宽兼可重构的滤波器设计。目前有部分文献已经提出相应的解决方案：第一种方法是梳状耦合线结构，通过在谐振器上和谐振器之间分别引入可变电容实现了一种频率和带宽可重构滤波器；第二种方法是采用多模谐振器结构，通过调节各个谐振模的频率及谐振摸之间的频率差来实现频率和带宽可重构滤波器。但是以上这些控制策略复杂，通带插入损耗较大，且无法满足窄带应用。另外,中国专利"可变带宽RF滤波器"(授权公告号CN104205481B)中采用了两个可重构滤波器来实现带宽可重构的策略，但是该结构存在级间共振问题，需要额外的带陷可调滤波器进行抑制，增加了设计工作量及控制复杂度，特别是窄带情况，级间共振很难消除，甚至会破坏通带的性能。为了解决这些问题，本发明提供一种频率、带宽和增益兼可重构带通滤波器。
发明内容
鉴于现有技术的可重构滤波器控制策略复杂或存在级间共振的问题，提出了本发明的一种可重构带通滤波器及其制作方法，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
依据本发明的一个方面，提供了一种可重构带通滤波器，该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个以上滤波器单元，相邻的两个所述滤波器单元之间连接有放大器单元；所述滤波器单元为频率可重构滤波器单元；所述放大器单元为增益可重构放大器单元。
可选地，所述滤波器单元设置有至少一个频率可重构的谐振器，以及用于改变所述滤波器单元频率的可重构元件。
可选地，第一个滤波器单元的第一个谐振器与输入连接器连接，最后一个滤波器单元的最后一个谐振器与输出连接器连接。
可选地，所述用于改变所述滤波器单元频率的可重构元件为可变电容器、 MEMS开关或PIN开关。
可选地，各所述滤波器单元的频率独立改变。
可选地，各所述滤波器单元具有相同的结构。
可选地，所述滤波器单元和所述放大器单元设置在同一外壳内，信号从第一个滤波器单元输入，依次流经后面的放大器单元和滤波器单元后输出。
可选地，该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个滤波器单元：第一滤波器单元和第二滤波器单元。
可选地，所述第一滤波器单元和所述第二滤波器单元具有相同的结构，均包括：第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、输入耦合线、输出耦合线、第一接地传输线、第二接地传输线、第一可变电容器、第二可变电容器、第三可变电容器和第四可变电容器；
所述第一谐振器和所述输入耦合线通过平行耦合方式进行馈电；所述第一谐振器与所述第二谐振器通过第一接地传输线进行接地耦合；所述第二谐振器与所述第三谐振器通过平行耦合方式进行传输；所述第三谐振器与所述第四谐振器通过第二接地传输线进行接地耦合；所述第四谐振器和所述输出耦合线通过平行耦合方式进行馈电；
所述第一至第四可变电容器的负极分别与所述第一至第四谐振器连接，所述第一可变电容器和所述第二可变电容器的正极与所述第一接地传输线相连，所述第三可变电容器和所述第四可变电容器的正极与第二接地传输线相连。
依据本发明的另一个方面，提供了一种可重构带通滤波器的制作方法，该方法包括：
以级联方式连接两个以上滤波器单元，所述滤波器单元为频率可重构滤波器单元；
在相邻的两个所述滤波器单元之间连接放大器单元，所述放大器单元为增益可重构放大器单元。
综上所述，本发明的有益效果是：
通过级联两个以上频率可重构滤波器单元，并在相邻的频率可重构滤波器单元之间引入增益可重构放大器单元，解决了多级滤波器单元的级间匹配问题，通过改变两个频率可重构滤波器单元的谐振频率，可以大幅度地改变中心频率和带宽，通过改变中间级可重构放大器单元的增益，可以大幅度地改变增益，实现了频率、带宽和增益兼可重构的带通滤波器，控制简单方便，有利于射频前端的一体化、模块化和小型化，有利于进一步控制成本以及便于批量生产。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种可重构滤波器的原理性结构示意图；
图2为频率随以级联方式连接的各频率可重构滤波器的共振频率的变化而改变的过程示意图；
图3为带宽随以级联方式连接的各频率可重构滤波器的共振频率的变化而改变的过程示意图；
图4为增益随以级联方式连接的增益可重构放大器的增益的变化而改变的过程示意图；
图5为本发明一个实施例提供的一种可重构滤波器的结构示意图；
图6为采用中间级放大器和不采用中间级放大器时级联滤波器传输特性对比图；
图7为本发明一个实施例提供的可重构滤波器的频率可重构传输特性图；
图8为本发明一个实施例提供的可重构滤波器的带宽可重构传输特性图；
图9为本发明一个实施例提供的可重构滤波器的增益可重构传输特性图；
图10为本发明一个实施例提供的一种可重构滤波器的制作方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1至图4从原理上示意性地示出了本发明的一种可重构滤波器的实施例。
参考图1至图4，本发明的一种可重构带通滤波器，包括以级联方式连接的两个以上滤波器单元，相邻的两个滤波器单元之间连接有放大器单元；其中，滤波器单元为频率可重构滤波器单元；放大器单元为增益可重构放大器单元。
优选地，在本发明的各实施例中，以两个级联的滤波器单元为例，即频率可重构滤波器1(BPF1)和频率可重构滤波器3(BPF2)，频率可重构滤波器1(BPF1)和频率可重构滤波器3(BPF2)之间连接有一个增益可重构放大器2，如图1所示。
通过级联两个以上频率可重构滤波器单元，并在相邻的频率可重构滤波器单元之间引入增益可重构放大器单元，解决了多级滤波器单元的级间匹配问题，通过改变各频率可重构滤波器的谐振频率和增益可重构放大器的增益，实现了频率、带宽和增益兼可重构的带通滤波器，控制简单方便，有利于射频前端的一体化、模块化和小型化，有利于进一步控制成本以及便于批量生产。
这里，频率可重构滤波器单元，指的是滤波器的谐振频率是可以通过滤波器的加载可重构元件进行改变的滤波器。
优选地，各滤波器单元设置有至少一个频率可重构的谐振器，以及用于改变滤波器单元频率的可重构元件，以实现谐振频率的改变。
优选地，用于改变滤波器单元频率的可重构元件，可以为可变电容器、 MEMS开关或PIN开关，通过可变电容器、MEMS开关或PIN开关改变滤波器单元的谐振频率。
当然，除了上述通过加载可重构元件改变频率的滤波器以外，还可以采用其他不同类型的频率可重构滤波器，例如通过机械结构发生形变来改变谐振频率的滤波器、通过介电常数或磁导率的调节而改变谐振频率的滤波器，在此不再一一赘述。
优选地，第一个滤波器单元的第一个谐振器与输入连接器连接，最后一个滤波器单元的最后一个谐振器与输出连接器连接，以实现信号的输入和输出。
优选地，各滤波器单元的频率独立改变，通过相互独立的改变，以提高频率重构的组合数量，提高应对多频多模信号收发的灵活性。
优选地，各滤波器单元具有相同的结构，通过采用相同结构的滤波器单元，有利于降低电路设计的难度。
优选地，滤波器单元和放大器单元设置在同一外壳内，实现整体封装，信号从第一个滤波器单元输入，依次流经后面的放大器单元和滤波器单元后输出。
图2为频率随以级联方式连接的各频率可重构滤波器的共振频率的变化而改变的过程示意图。
在图2中，位于顶部的图给出了第一个频率可重构滤波器BPF1的谐振频带，位于中部的图给出了第二个可重构BPF2的谐振频带，而位于底部的图给出了实质上由两个滤波器(BPF1和BPF2)形成的共同的谐振频带。
参考图2中左图可见，第一个频率可重构滤波器BPF1和第二个频率可重构滤波器BPF2具有相同的谐振频带，即f1～f2，由此，二者根据本发明实施例以级联方式连接，形成的可重构滤波器的通带为第一频率可重构滤波器 BPF1和第二频率可重构滤波器BPF2共同的谐振频带，即f1～f2。
在图2中，横向比较左侧和右侧图示可见，给出了将第一频率可重构滤波器BPF1的中心频率和第二频率可重构滤波器BPF2的中心频率均从 (f1+f2)/2移动到(f3+f4)/2的情形，从而在底部图示中，给出了共同谐振频带因谐振频率的改变而发生的改变，即从(f1+f2)/2移动到(f3+f4)/2。
因此，结合比较图2中左右两侧图示可见，通过改变第一频率可重构滤波器BPF1和第二频率可重构滤波器BPF2的谐振频率，可以使本实施例1 的可重构滤波器单元的中心频率发生改变。
图3为带宽随以级联方式连接的各频率可重构滤波器的共振频率的变化而改变的过程示意图。
在图3中，同样的，位于顶部的图给出了第一个频率可重构滤波器BPF1 的频带，位于中部的图给出了第二个频率可重构滤波器BPF2的频带，而位于底部的图示给出了实质上由两个滤波器(BPF1和BPF2)形成的带宽。频率可重构滤波器BPF1和频率可重构滤波器BPF2根据本发明实施例以级联方式连接，形成的可重构滤波器，其通带为第一频率可重构滤波器BPF1和第二频率可重构滤波器BPF2共同的谐振频带。
参照图3左侧图示，可见第一频率可重构滤波器BPF1和第二频率可重构滤波器BPF2在不同的频带谐振，并且两者存在共同的谐振频带，即f5～f2，则二者级联形成的可重构滤波器的通带即为f5～f2。
参考图3中的左侧中间图示和右侧中间图示，分别给出了将第二频率可重构滤波器BPF2的中心频率移动到(f5+f6)/2和移动到(f7+f8)/2的情形，从图3底部图示中看出，级联后共同的谐振频带，随着第二频率可重构滤波器 BPF2的中心频率移动而改变，即从f5～f2移动到f7～f2。
因此，结合比较图3中左右两侧图示可见，第一频率可重构滤波器BPF1 和第二频率可重构滤波器BPF2的共同谐振频带，因上述的中心频率的移动而移动。换句话说，通过移动第一频率可重构滤波器BPF1或第二频率可重构滤波器BPF2的中心频率，也能够实现级联后的可重构滤波器的带宽的实质改变。
图4为增益随以级联方式连接的增益可重构放大器的增益的变化而改变的过程示意图。图4中给出了中间级增益可重构放大器在不同的控制增益下，滤波器的频率响应情形，即图中A1、A2和A3三种增益下的频率响应，从图4可知，通过改变怎一可重构放大器的增益，可以使本实施例的可重构滤波器的增益实现实质改变。
图5为本发明一个实施例提供的一种可重构滤波器的结构示意图，如图 5所示，该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个滤波器单元：第一滤波器单元100和第二滤波器单元200，第一滤波器单元100和第二滤波器单元200具有相同的结构，且均为实施例1中所述的频率可重构滤波器。在第一滤波器单元100和第二滤波器单元200之间连接有中间级放大器单元 150，该放大器单元150为增益可重构放大器单元。
第一频率可重构滤波器单元100和第二频率可重构滤波器单元200可以独立地进行滤波，并且首先在第一频率可重构滤波器单元100进行滤波，而后，第一频率可重构滤波器单元100的输出信号提供给中间级增益可重构放大器单元150，中间级增益可重构放大器150的输出信号提供给第二频率可重构滤波器单元200。
优选地，第一滤波器单元100和第二滤波器单元200结构相同，以第一滤波器单元100为例，说明其结构，如图5所示，第一滤波器单元100包括：第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3、第四谐振器R4、输入耦合线L1、输出耦合线L2、第一接地传输线T1、第二接地传输线T2、第一可变电容器Q1、第二可变电容器Q2、第三可变电容器Q3和第四可变电容器Q4。
第一谐振器R1和输入耦合线T1通过平行耦合方式进行馈电；第一谐振器R1与第二谐振器R2通过第一接地传输线T1进行接地耦合；第二谐振器 R2与第三谐振器R3通过平行耦合方式进行传输；第三谐振器R3与第四谐振器R4通过第二接地传输线T2进行接地耦合；第四谐振器R4和输出耦合线L2通过平行耦合方式进行馈电。
第一至第四可变电容器Q1-Q4用来改变中心频率，具体在本实施例2中， Q1-Q4均采用可变电容二极管来实现，可变电容器Q1、Q2、Q3和Q4的负极分别与谐振器R1、R2、R3和R4相连接，第一可变电容器Q1和第二可变电容器Q2的正极与第一接地传输线T1相连，第三可变电容器Q3和第四可变电容器Q4的正极与第二接地传输线T2相连。
同样的，第二滤波器单元200具有与第一滤波器单元100相同的结构，包括第一至第四谐振器R5、R6、R7和R8，输入耦合线L3，输出耦合线L4，第一接地传输线T3，第二接地传输线T4，第一至第四可变电容器Q5、Q6、 Q7和Q8，具体连接关系与第一滤波器单元100相同，在此不再赘述。
图6为采用中间级放大器和不采用中间级放大器时级联滤波器传输特性对比图，如图6所示，在没有采用中间级增益放大器的滤波器单元之间产生了级间共振，使得阻带特性恶化，存在失配问题；而采用中间级放大器，解决了两级滤波器的级间匹配问题。
图7为本发明一个实施例提供的可重构滤波器的频率可重构传输特性图，从图7可以看出，图7左侧和右侧的上方图示中，将第一频率可重构滤波器BPF1的中心频率从2.0GHz移动到2.25GHz；图7左侧和右侧的中间图示中，第二频率可重构滤波器BPF2的中心频率也从2.0GHz移动到2.25 GHz；从而，图7左侧和右侧的底部图示给出了共同谐振频带因谐振频率的移动而改变的示意，即级联后形成的可重构滤波器的中心频率，从2.0GHz 移动到2.25GHz。
图8为本发明一个实施例提供的可重构滤波器的带宽可重构传输特性图，从图8可以看出，在图8左侧和右侧的上方图示中，第一频率可重构滤波器BPF1的通带均为1.78～2.22GHz；在图8左侧和右侧的中间图示中，第二频率可重构滤波器BPF2的通带从2.02～2.46GHz移动到1.84～2.30GHz；因而，在图8左侧和右侧的底部图示中，给出了共同谐振频带的宽度因谐振频率的移动而改变的示意，即级联后形成的可重构滤波器的通带，从 2.02～2.22GHz移动到1.84～2.22GHz。
图9为本发明一个实施例提供的可重构滤波器的增益可重构传输特性图，由图9可见，通过控制中间级增益可重构放大器的增益，可以实现本发明可重构滤波器增益的可重构，即实现不同的增益A1、A2和A3。
本发明还公开了一种可重构带通滤波器的制作方法，其流程图如图10 所示，该方法包括：
步骤S110：以级联方式连接两个以上滤波器单元，所述滤波器单元为频率可重构滤波器单元。
步骤S120：在相邻的两个滤波器单元之间连接放大器单元，所述放大器单元为增益可重构放大器单元。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可重构带通滤波器，其特征在于，该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个以上滤波器单元，相邻的两个所述滤波器单元之间连接有放大器单元；所述滤波器单元为频率可重构滤波器单元；所述放大器单元为增益可重构放大器单元；
该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个滤波器单元：第一滤波器单元和第二滤波器单元；
所述第一滤波器单元和所述第二滤波器单元具有相同的结构，均包括：第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、输入耦合线、输出耦合线、第一接地传输线、第二接地传输线、第一可变电容器、第二可变电容器、第三可变电容器和第四可变电容器；
所述第一谐振器和所述输入耦合线通过平行耦合方式进行馈电；所述第一谐振器与所述第二谐振器通过第一接地传输线进行接地耦合；所述第二谐振器与所述第三谐振器通过平行耦合方式进行传输；所述第三谐振器与所述第四谐振器通过第二接地传输线进行接地耦合；所述第四谐振器和所述输出耦合线通过平行耦合方式进行馈电；
所述第一至第四可变电容器的负极分别与所述第一至第四谐振器连接，所述第一可变电容器和所述第二可变电容器的正极与所述第一接地传输线相连，所述第三可变电容器和所述第四可变电容器的正极与第二接地传输线相连。
2.如权利要求1所述的可重构带通滤波器，其特征在于，所述滤波器单元设置有至少一个频率可重构的谐振器，以及用于改变所述滤波器单元频率的可重构元件。
3.如权利要求2所述的可重构带通滤波器，其特征在于，第一个滤波器单元的第一个谐振器与输入连接器连接，最后一个滤波器单元的最后一个谐振器与输出连接器连接。
4.如权利要求2所述的可重构带通滤波器，其特征在于，所述用于改变所述滤波器单元频率的可重构元件为可变电容器、MEMS开关或PIN开关。
5.如权利要求1所述的可重构带通滤波器，其特征在于，各所述滤波器单元的频率独立改变。
6.如权利要求1或2所述的可重构带通滤波器，其特征在于，各所述滤波器单元具有相同的结构。
7.如权利要求1所述的可重构带通滤波器，其特征在于，所述滤波器单元和所述放大器单元设置在同一外壳内，信号从第一个滤波器单元输入，依次流经后面的放大器单元和滤波器单元后输出。
8.一种可重构带通滤波器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
以级联方式连接两个以上滤波器单元，所述滤波器单元为频率可重构滤波器单元；
在相邻的两个所述滤波器单元之间连接放大器单元，所述放大器单元为增益可重构放大器单元；
该可重构带通滤波器包括以级联方式连接的两个滤波器单元：第一滤波器单元和第二滤波器单元；
所述第一滤波器单元和所述第二滤波器单元具有相同的结构，均包括：第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、输入耦合线、输出耦合线、第一接地传输线、第二接地传输线、第一可变电容器、第二可变电容器、第三可变电容器和第四可变电容器；
所述第一谐振器和所述输入耦合线通过平行耦合方式进行馈电；所述第一谐振器与所述第二谐振器通过第一接地传输线进行接地耦合；所述第二谐振器与所述第三谐振器通过平行耦合方式进行传输；所述第三谐振器与所述第四谐振器通过第二接地传输线进行接地耦合；所述第四谐振器和所述输出耦合线通过平行耦合方式进行馈电；
所述第一至第四可变电容器的负极分别与所述第一至第四谐振器连接，所述第一可变电容器和所述第二可变电容器的正极与所述第一接地传输线相连，所述第三可变电容器和所述第四可变电容器的正极与第二接地传输线相连。
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