CN107546446A - 多模多通带可切换的可重构滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波毫米波技术领域，提供一种多模多通带可切换的可重构滤波器该可重构滤波器，主要解决了普通射频滤波器有着不可调、功能固定，以及普通可调滤波器插入损耗大等问题，本发明是引入正六边形的四分之一结构的基片集成波导结构，比普通基片集成波导要小很多，在上层敷铜层增加互补方形螺旋谐振环，方形覆铜环(外方形环、内方形环、三阶方形改造环)和四个方形贴片等结构，在外加电压的作用下，PIN导通或截断，使得滤波器拥有三通带、双通带、单通带并有多个传输零点，该特征下的可重构滤波器具有体积小，插入损耗低，具有多个传输零点，带外抑制高，加载直流馈电方便、调谐速度快、调谐方便等特点。特别适用于微波毫米微波系统。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种多模多通带可切换的可重构滤波器，特别适宜于无线通信系统。
背景技术
二十一世纪以来无线通信技术飞速发展，使得频谱资源越来越稀缺，为了充分地利用十分有限的频谱资源，无线通信设备中广泛采用了跳频、扩频、频率动态分配等技术，并且出现了支持多种通信制式的可重构通信系统。可重构射频滤波器作为这些技术与系统不可或缺的器件，近年来越来越受到重视；可重构滤波器在射频通信系统中通常位于发射机天线前一级，作用是滤除发射链路中的杂散信号，或者位于接受机的混频器和天线之间，作为选频滤波器，抑制无关的电磁干扰。
目前广泛使用的射频滤波器有着不可调、功能固定的特点，无线通信系统有大量的不同指标的射频滤波器，增加了无线通信系统的复杂性和体积。如果射频滤波器有着中心频率、带宽等性能可调谐的特性，使用同一射频滤波器即可灵活满足不同指标，将有助于简化无线通信系统并大大减少体积。
可重构滤波器的实现方式包括半导体二极管、铁电材料、钇铁石榴石(YIG)、铁氧体等磁铁体、压电体、微机电系统(MEMS)等，随着时间的推移，可重构滤波器正向着小型化、平面化、轻量化、高集成度的方向发展。由于调谐元件的引入，可重构滤波器的损耗通常大于普通滤波器，为了改善可重构滤波器的损耗特性，引入基片集成波导技术，它相比于金属波导和平面微带结构，基片集成波导它的Q值高，重量轻，损耗小，功率容量大，成本低，易于与其它平面电路集成；正六边形的四分之一结构的基片集成波导结构是六边形基片集成波导结构的四分之一，具有小型化的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模多通带可切换的可重构滤波器，该滤波器具有体积小、插入损耗低、带外抑制高、加载直流馈电方便、调谐速度快、调谐方便等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
多模多通带可切换的可重构滤波器，由从下往上依次层叠的下层金属地、中间介质层及上层金属图形层构成；其特征在于，
所述上层金属图形层包括正六边形的四分之一结构覆铜层(21)、方形覆铜环及两个直流偏置电路，其中，所述正六边形的四分之一结构覆铜层(21)左侧通过L型共面波导输入端(23)与中间设置有第一隔直电容(111)的输入微带线(11)连接、右侧通过连接微带线(12)与方形覆铜环连接，所述正六边形的四分之一结构覆铜层(21)上开设有互补方形螺旋谐振环(24)、位于左侧；
所述方形覆铜环包括外方形环(31)、内方形环(32)、三阶方形改造环(33)；其中，内方形环(32)上边中间位置开设切口(321)，左右两边外侧的中间位置处外侧分别通过矩形金属片(351、352)与外方形环(31)连接、内侧设置有内方形环金属焊盘(371、373)，内方形环(32)内四角位置分别设有方形金属片(322～325)、对应连接三阶方形改造环(33)的四角，所述三阶方形改造环(33)设有左右两个改造环金属焊盘(372、373)、与其对应位置的内方形环金属焊盘(371、373)之间分别跨接PIN二极管(361、362)，所述外方形环(31)左侧中心位置与连接微带线(12)连接、右侧中心位置与中间设置有第二隔直电容(131)的输出微带线(13)连接；
两个直流偏置电路分别连接PIN二极管(361、362)的阳极；所述直流偏置电路包括接地金属片(48)，直流电源(49)，以及依次连接的第一直流偏置电路金属焊盘(41)、接地电容(42)、第二直流偏置电路金属焊盘(43)、限流电阻(44)、第三直流偏置电路金属焊盘(45)、扼流电感(46)、第四直流偏置电路金属焊盘(47)；直流电源(49)跨接于第二直流偏置电路金属焊盘(43)与接地金属片(48)之间，接地金属片(48)连接第一直流偏置电路金属焊盘(41)，第四直流偏置电路金属焊盘(47)连接PIN二极管阳极。
进一步的，所述三阶方形改造环(33)为一个三环结构，包括大环(331)、中环(332)及小环(333)；三个环的上边中心对称开槽隔断，并将大环与中环、中环与小环连接起来形成螺旋结构；中环左右两边中心引出改造环金属焊盘(372、373)，大环左右两边相应位置沿中心开槽、且大环与中环的右上角部分通过金属贴片连接，中环下边中心位置还设有开口槽。
进一步的，所述互补方形螺旋谐振环(24)是在正六边形的四分之一结构覆铜层(21)上刻蚀图案而成的，图案由两个宽度和间距相等的方形环并且在底部中心位置处将内环与外环连接而构成。
进一步的，所述互补方形螺旋谐振环与连接微带线(12)及输出微带线(13)的连接处均设置等腰直角三角形(121～123、132～133)进行填充过渡；用于减少反射。
进一步的，所述正六边形的四分之一结构覆铜层(21)通过位于边缘的贯穿中间介质层的金属化通孔，与下层金属地共同构成正六边形基片集成波导的四分之一结构。接地金属片(48)通过金属化通孔连接下层金属地。
本发明是在结合基片集成波导正六边形的四分之一结构基础上并增加互补方形螺旋谐振环，方形覆铜环(外方形环、内方形环、三阶方形改造环)和四个方形贴片等结构，在外加电压的作用下，PIN导通或截断，即内方形环与三阶方形改造环连接或断开，使得滤波器拥有三通带、双通带、单通带并有多个传输零点，通过施加正向偏压和反向偏压，PIN管导通或截止，使得单、双、三通带切换。四个方形金属贴片(322～325)和三阶方形改造环的大环(331)的四个直角相连接，用于产生微扰，从而产生多模特性。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用基片集成波导技术，相比于微带线，它Q值高，重量轻，损耗小，功率容量大，成本低，易于与其它平面电路集成。正六边形的四分之一结构基片集成波导是正六边形基片集成波导沿中心横向和纵向切掉而得到的四分之一结构，结构大大减小，具有小型化的作用。
2.由于采用基片集成波导技术，由基片集成波导的等效尺寸与谐振频率的关系可知，谐振频率越小，尺寸越大，所以采用基片集成波导技术的低频滤波器极不容易实现，本发明一个优点是采用互补螺旋谐振环，使得谐振频率急剧减小，因此由互补螺旋谐振环控制其谐振频率，使得外部的基片集成波导的尺寸大大减小。
3.本发明由正六边形的四分之一结构基片集成波导和互补方形螺旋谐振环产生第一通带，并有一个传输零点，而由四个方形金属片产生非简并多模模式，并和三阶方形改造环产生第二、第三通带，并且每一个通带都有一个传输零点，带外抑制很好。
4.本发明在正六边形的四分之一覆铜结构右侧是50欧姆微带线，在它上面有三个直角，直角用3个等腰直角三角形进行填充，50欧姆输出微带线与大方形环之间的连接处的两个直角也用2个等腰直角三角形进行填充，这样的作用是减少反射。
5.本发明在50欧姆微带线后采用L型共面波导形式过渡到谐振腔，可以极大的减少反射，并且50欧姆微带线中间是通过隔直电容连接的，在输入端和输出端各有一个，因为有两个电源，为了防止电压通过基片集成波导进入矢量网络分析仪而造成损害，焊盘之间焊接有还有扼流电感，扼流电感是为了隔交流通直流。
6.本发明可以通过要求而改进互补螺旋谐振环的半径、三阶方形改造环半径、大小方形环半径等的长度来控制不同的频段的通带切换，具有广泛的应用市场。
附图说明
图1为本发明提供的多模多通带可切换的可重构滤波器的俯视图。
图2为图1侧面示意图。
图3为图1的底部结构示意图。
图4为图1中两个PIN二极管导通时的回波损耗S11、插入损耗S21曲线。
图5为图1中两个PIN二极管断开时的回波损耗S11、插入损耗S21曲线。
图6为图1中右边PIN二极管导通，左边PIN二极管断开时的回波损耗S11、插入损耗S21曲线。
图7为图1中右边PIN二极管断开，左边PIN二极管导通时的回波损耗S11、插入损耗S21曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种多模多通带可切换的可重构滤波器，其结构如图1、图2、图3所示；本实施例中介质基板采用Rogers 5880，其介电常数为2.2，损耗因子0.0009，厚度为0.508mm，PIN二极管采用的是skyworks公司的SMP1345系列PIN管，采用SC-79封装，此封装的PIN二极管总长度约为1.5mm到1.7mm，而管脚的长度约为0.15mm，扼流电感为800nH，隔直电容为200pF，限流电阻为200欧姆，接地电容为100pF，扼流电感、隔直电容、限流电阻、接地电容均采用0402封装，即电感和电容电阻等长度和宽度为1mm和0.5mm，正六边形的四分之一覆铜结构下侧和大方形环上侧都有四个方形金属焊盘，以及输入、输出端的焊盘的长度和宽度都设为1mm，间隔为0.635mm，将隔直电容焊接在50欧姆输入输出微带线之间，将扼流电感焊接在焊盘(45)和(47)之间，将限流电阻焊接在焊盘(43)和(45)之间，将接地电容焊接在焊盘(41)和(43)之间，将PIN管焊接在焊盘(371)和(372)、(373)和(374)之间，焊盘(371～374)的宽度为1.3mm，长度为1mm，其中一部分在内方形环中，一部分在外，外部尺寸为0.2mm，将焊盘(41)通过导线与矩形打孔接地金属片(48)连接，使其接地，将焊盘(43)外接直流电源，并将电源通过导线连接矩形打孔接地金属片(48)使其接地。两个50欧姆微带线外接SMA接头并连接到矢量网络分析仪上测量，当两外置电路正偏时，这里选取一组偏置，电压1.23V，电流20mA，两PIN管导通，第一通带中心频率1.957GHz，插入损耗为0.1964dB，第二通带中心频率3.326GHz，插入损耗为0.3392dB，第三通带中心频率5.371GHz，插入损耗为0.3713dB。当两外置电路反偏时，两PIN管断开，选取一组偏置，电压-5V，只有第一通带，其中心频率为1.957GHz，插入损耗0.3250dB。外置电路一个正偏一个反偏，即当电压1.23V，电流20mA右边PIN管导通，电压-5V，左边PIN断开时，第一通带中心频率1.930GHz，插入损耗为0.5321dB，第二通带中心频率4.456GHz，插入损耗为1.8262dB，第三通带中心频率5.7030GHz，插入损耗为1.1742dB。而当电压-5V，右边PIN管断开，电压1.23V，电流20mA，左边PIN导通时，第一通带中心频率1.9210GHz，插入损耗为0.1413dB，第二通带中心频率5.440GHz，插入损耗为1.5144dB，整个电路尺寸为长为30.8mm宽为22.6mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，用于帮助技术人员理解本发明的原理，本发明的保护范围不局限在这样的特殊实例，本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.多模多通带可切换的可重构滤波器，由从下往上依次层叠的下层金属地、中间介质层及上层金属图形层构成；其特征在于，
所述上层金属图形层包括正六边形的四分之一结构覆铜层(21)、方形覆铜环及两个直流偏置电路，其中，所述正六边形的四分之一结构覆铜层(21)左侧通过L型共面波导输入端(23)与中间设置有第一隔直电容(111)的输入微带线(11)连接、右侧通过连接微带线(12)与方形覆铜环连接，所述正六边形的四分之一结构覆铜层(21)上开设有互补方形螺旋谐振环(24)、位于左侧；
所述方形覆铜环包括外方形环(31)、内方形环(32)、三阶方形改造环(33)；其中，内方形环(32)上边中间位置开设切口(34)，左右两边外侧的中间位置处外侧分别通过矩形金属片(351、352)与外方形环(31)连接、内侧设置有内方形环金属焊盘(371、373)，内方形环(32)内四角位置分别设有方形金属片(322～325)、对应连接三阶方形改造环(33)的四角，所述三阶方形改造环(33)设有左右两个改造环金属焊盘(372、373)、与其对应位置的内方形环金属焊盘(371、373)之间分别跨接PIN二极管(361、362)，所述外方形环(31)左侧中心位置与连接微带线(12)连接、右侧中心位置与中间设置有第二隔直电容(131)的输出微带线(13)连接；
两个直流偏置电路分别连接PIN二极管(361、362)的阳极；所述直流偏置电路包括接地金属片(48)，直流电源(49)，以及依次连接的第一直流偏置电路金属焊盘(41)、接地电容(42)、第二直流偏置电路金属焊盘(43)、限流电阻(44)、第三直流偏置电路金属焊盘(45)、扼流电感(46)、第四直流偏置电路金属焊盘(47)；直流电源(49)跨接于第二直流偏置电路金属焊盘(43)与接地金属片(48)之间，接地金属片(48)连接第一直流偏置电路金属焊盘(41)，第四直流偏置电路金属焊盘(47)连接PIN二极管阳极。
2.按权利要求1所述多模多通带可切换的可重构滤波器，其特征在于，所述三阶方形改造环(33)为一个三环结构，包括大环(331)、中环(332)及小环(333)；三个环的上边中心对称开槽隔断，并将大环与中环、中环与小环连接起来形成螺旋结构；中环左右两边中心引出改造环金属焊盘(372、373)，大环左右两边相应位置沿中心开槽、且大环与中环的右上角部分通过金属贴片连接，中环下边中心位置还设有开口槽。
3.按权利要求1所述多模多通带可切换的可重构滤波器，其特征在于，所述互补方形螺旋谐振环(24)是在正六边形的四分之一结构覆铜层(21)上刻蚀图案而成的，图案由两个宽度和间距相等的方形环并且在底部中心位置处将内环与外环连接而构成。
4.按权利要求1所述多模多通带可切换的可重构滤波器，其特征在于，所述互补方形螺旋谐振环(24)与连接微带线(12)及输出微带线(13)的连接处均设置等腰直角三角形(121～123、132～133)进行填充过渡。
5.按权利要求1所述多模多通带可切换的可重构滤波器，其特征在于，所述正六边形的四分之一结构覆铜层(21)通过位于边缘的贯穿中间介质层的金属化通孔，与下层金属地共同构成正六边形基片集成波导的四分之一结构。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20230626 Address after: 341000 Industrial Park, Ganzhou economic and Technological Development Zone, Jiangxi Province Patentee after: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee before: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: A Reconfigurable Filter with Switchable Multi mode and Multi passband Granted publication date: 20190305 Pledgee: Ganzhou rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980002104 |