CN107732381A - 基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器 - Google Patents

基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，输入/输出端口分别与十字型谐振器的两条微带线耦合，十字型谐振器的另外两条微带线分别通过PIN二极管开关连接开路短截线，PIN二极管开关、开路短截线均有4个。本发明可通过控制两组PIN二极管开关的通断，改变接入的开路短截线的特性阻抗，从而控制滤波器的带宽，实现四个带宽之间的切换。

Description

基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，越来越多的射频前端需要工作在不同的中心频率和带宽上，这就要求具有中心频率和带宽调节能力的可重构射频前端，可重构滤波器是其中的重要组成部分。在过去大量文献中，中心频率可调已经被广泛的研究，相对而言，带宽可调取得的成果较少，特别是应用于宽带带通滤波器。目前的大多数可重构带通滤波器的带宽调节范围较小，带宽调节能力都只能实现最大不超过15％的带宽，显然远远不能满足现代宽带通信系统的需求，因此可重构宽带滤波器的研制方面国内外都是极其罕见。
多模谐振器最早由祝雷教授于2005年提出，由于单个谐振器中同时包含了多个谐振模式，所以被广泛应用到宽带滤波器的设计中，一种新型的多模谐振器名为十字型谐振器近来被提出并广泛地应用于宽带和超宽带的应用之。基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器具有很高的使用价值。
发明内容
本发明旨在提供一种基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，结构新颖简单、尺寸小、重量轻、易于加工、性能良好。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，包括十字型谐振器，所述十字型谐振器的四条微带线为沿顺时针排布的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线，所述第二微带线连接第一二极管的一端，所述第一二极管的另一端连接第五微带线，第二微带线的另一端连接第二二极管的一端，所述第二二极管的另一端连接第七微带线；所述第三微带线连接第三二极管的一端，所述第三二极管的另一端连接第六微带线，第三微带线的另一端连接第四二极管的一端，所述第四二极管的另一端连接第八微带线；还包括分别连接输入端、输出端的第十三微带线、第十四微带线，所述第十三微带线连接第十一微带线]，所述第十一微带线与第一微带线耦合，所述第十四微带线连接第十二微带线，所述第十二微带线与第四微带线耦合；第九微带线的一端连接第二微带线，第十微带线的一端连接第三微带线；所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管均为PIN二极管。
优选的，所述第十一微带线与第一微带线平行耦合，所述第十二微带线与第四微带线平行耦合。
优选的，所述第一微带线与第四微带线、第二微带线与第三微带线、第五微带线与第六微带线、第七微带线与第八微带线、第九微带线与第十微带线，第十一微带线与第十二微带线，第十三微带线与第十四微带线分别关于对称轴对称设置，所述对称轴中分第一微带线与第四微带线的夹角，对称轴与第一微带线的夹角为45度。
优选的，所述第五微带线与第一微带线平行，所述第九微带线为L形。
优选的，微带线的特征阻抗满足式1，
式1中，Z4是第七微带线和第八微带线的特征阻抗，Z5是第五微带线和第六微带线的特征阻抗，Z2是第九微带线和第十微带线的特征阻抗。
优选的，所述第十三微带线、第十四微带线的特征阻抗均为50Ω。
进一步的，第五微带线上通过第一高频扼流圈连接第二直流电压源,第六微带线上通过第二高频扼流圈连接第二直流电压源,第七微带线上通过第三高频扼流圈连接第一直流电压源,第八微带线上通过第四高频扼流圈连接第一直流电压源。
进一步的，所述第三微带线连接第五高频扼流圈的一端，所述第五高频扼流圈的另一端接地。
优选的，本发明包括从上到下依次重叠的微带线结构和有源电路层、介质基板和接地金属层，所述第五高频扼流圈的另一端通过金属化孔连接接地金属层。
本发明的有益效果如下：
1、本发明结构新颖简单、尺寸小、重量轻、易于加工、性能良好；
2、本发明的三个极点和两个零点均由十字型谐振器所产生；
3、可以实现较宽的带宽可调，实测相对带宽可调范围达到20-38％，性能超过多数现有的滤波器设计，达到宽带通信的标准；
4、电路结构简单，体积小，重量轻，只需使用两个直流电源控制PIN二极管开关实现可重构功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的等效电路图。
图3a是一种十字型谐振器的等效电路图。
图3b是十字型谐振器的偶模、奇模的等效电路。
图4是十字型谐振器的极点和零点随Z′2变化的关系图。
图5是图1中本发明的相对带宽随Z′2变化的关系图。
图6a是图1中本发明的实测S21参数图。
图6b是图1中本发明的实测S11参数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开的十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，包括上层的微带线结构和有源电路，中层的介质基板，下层的接地金属以及金属化孔，金属化孔使微带线结构与接地金属相连接。上层微带线结构包括输入/输出端口，一个十字型谐振器，谐振器两个开路短截线，平行耦合线结构,四个开路短截线接PIN二极管开关到谐振器。
十字型谐振器的四条微带线沿顺时针方向分别为第一微带线1,第二微带线2，第三微带线3，第四微带线4，第二微带线2位于最上方；第一PIN二极管11的一段连接第五微带线5，另一端连接第二微带线2,第二PIN二极管13的一端连接第七微带线7，另一端连接第二微带线2,第三PIN二极管12的一端连接第六微带线6，另一端连接第三微带线3,第四PIN二极管14的一端连接第八微带线8，另一端连接第三微带线3；第九微带线9与第二微带线2相连，第十微带线10与第三微带线3相连；第十一微带线21与第一微带线1耦合，第十三微带线23一端与第十一微带线21相连，另一端与输入端口相连，第十二微带线22与第四微带线4耦合，第十四微带线24一端与第十二微带线22相连，另一端与输出端口相连；其中第一微带线1与第四微带线4、第二微带线2与第三微带线3、第五微带线5与第六微带线6、第七微带线7与第八微带线8、第九微带线9与第十微带线10，第十一微带线21与第十二微带线22，第十三微带线23与第十四微带线24分别关于45°线对称。
第五微带线5上通过第一高频扼流圈15连接第二直流电压源V2,第六微带线6上通过第二高频扼流圈16连接第二直流电压源V2,第七微带线7上通过第三高频扼流圈17连接第一直流电压源V1,第八微带线8上通过第四高频扼流圈18连接第一直流电压源V1。
金属化孔20与接地金属相连，第五高频扼流圈19一端连接金属化孔20，另一端连接第三微带线3。
第十三微带线23和第十四微带线24的阻抗相等，均为50Ω。
如图3a和图3b所示，本发明所涉及的十字型谐振器，本身具有三个极点，两个零点，分别满足以下公式：
fp0＝f0 (3)
M＝Z3 2+Z′2+Z3-Z1Z′2-Z1Z3-Z′2Z3 (7)
式2-式8中，f0是中心频率，Z1是第一微带线1和第四微带线4的特征阻抗，Z2是第九微带线9和第十微带线10的特征阻抗，Z3是第二微带线2和第三微带线3的特征阻抗，Z4是第七微带线7和第八微带线8的特征阻抗，Z5是第五微带线5和第六微带线6的特征阻抗，Z′2是Z2，z4和z5在不同开关状态下的总特性阻抗，如表1所示：
表1
表1中，D1、D2、D3、D4分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管。
如图4所示，当z1＝100Ω、z3＝50Ω、f0＝6GHz，且微带线特征阻抗满足以下公式：
零点fz1，fz2和极点fp1，fp2随着Z′2的增大而相互靠近，由于通带的3-dB低频截至频率以fz1和fp1为边界，高频截止频率以fz2和fp2为边界，因此通带的带宽将会变小，带宽的重构可以近似的看作是边界零极点的重构。
图5是本发明的相对带宽随Z′2变化的关系图，Z1＝100Ω,Z3＝50Ωandf0＝6GHz。可以看到，当Z′2增大，相对带宽将会变小。
本发明已经进行了多次实验，下面简要说明一个具体实例的实验情况：
本实例中心频率设计在5.8GHz,所使用的介质板为R04003(h＝0.508mm,εr＝3.38),本实例的参数为：第一微带线1和第四微带线4的长度和宽度为w1＝0.2mm，l1＝7.3mm，第二微带线2和第三微带线3的长度和宽度为w3＝3.1mm,l3＝6.2mm，第五微带线5和第六微带线6的长度和宽度为w5＝2mm,l5＝6.7mm，第七微带线7和第八微带线8的长度和宽度为w4＝0.8mm,l4＝6.6mm，第九微带线9和第十微带线10的长度和宽度为w2＝0.1mm，i2+l6＝7.2mm,平行耦合线的间隔为s＝0.2mm.
本实例的实验结果S21和S11参数分别在图6a和图6b中给出，可以看到，本实例相对带宽可以实现20％到38％的可重构调节，中心频率在5.8GHz。状态D展示了最小通带由5.15GHz到6.32GHz，带宽为1.17GHz；状态A所示为最大通带由4.82GHz到7.05GHz，带宽为2.23GHz。因此可重构贷款范围为1.06GHz，相对带宽可重构范围为18％。除此之外，最小插入损耗为1.4dB，通带内的群延时抖动小于3.5ns，整个滤波器的尺寸为25.2mm×25.2mm。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：包括十字型谐振器，所述十字型谐振器的四条微带线为沿顺时针排布的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线，所述第二微带线连接第一二极管的一端，所述第一二极管的另一端连接第五微带线，第二微带线的另一端连接第二二极管的一端，所述第二二极管的另一端连接第七微带线；所述第三微带线连接第三二极管的一端，所述第三二极管的另一端连接第六微带线，第三微带线的另一端连接第四二极管的一端，所述第四二极管的另一端连接第八微带线；还包括分别连接输入端、输出端的第十三微带线、第十四微带线，所述第十三微带线连接第十一微带线，所述第十一微带线与第一微带线耦合，所述第十四微带线连接第十二微带线，所述第十二微带线与第四微带线耦合；第九微带线的一端连接第二微带线，第十微带线的一端连接第三微带线，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管均为PIN二极管。
2.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：所述第十一微带线与第一微带线平行耦合，所述第十二微带线与第四微带线平行耦合。
3.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线与第四微带线、第二微带线与第三微带线、第五微带线与第六微带线、第七微带线与第八微带线、第九微带线与第十微带线，第十一微带线与第十二微带线，第十三微带线]与第十四微带线分别关于对称轴对称设置，所述对称轴中分第一微带线与第四微带线的夹角，对称轴与第一微带线的夹角为45度。
4.根据权利要求3所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：所述第五微带线与第一微带线平行，所述第九微带线为L形。
5.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：微带线的特征阻抗满足式1，
<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&gt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&gt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&gt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>4</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mn>4</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>Z</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式1中，Z4是第七微带线和第八微带线的特征阻抗，Z5是第五微带线和第六微带线的特征阻抗，Z2是第九微带线和第十微带线的特征阻抗。
6.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：所述第十三微带线、第十四微带线的特征阻抗均为50Ω。
7.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：第五微带线上通过第一高频扼流圈连接第二直流电压源,第六微带线上通过第二高频扼流圈连接第二直流电压源,第七微带线上通过第三高频扼流圈连接第一直流电压源,第八微带线上通过第四高频扼流圈连接第一直流电压源。
8.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：所述第三微带线连接第五高频扼流圈的一端，所述第五高频扼流圈的另一端接地。
9.根据权利要求8所述的基于十字型谐振器的可重构带宽的宽带带通滤波器，其特征在于：包括从上到下依次重叠的微带线结构和有源电路层、介质基板和接地金属层，所述第五高频扼流圈的另一端通过金属化孔连接接地金属层。
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