CN108448212A - 一种基于耦合控制的双工滤波开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合控制的双工滤波开关，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构设置第一馈电线、第二馈电线、第三馈电线、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第一开关电路及第二开关电路，三条馈电线和四个谐振器构成的工作在两个不同频率的滤波网络，本发明提出的双工滤波开关可以适用于两个频率靠得很近的工作频带，具有创造性和实用性。

Description

一种基于耦合控制的双工滤波开关

技术领域

本发明涉及双工滤波开关，特别涉及一种基于耦合控制的双工滤波开关。

背景技术

在多频无线收发信机系统中，双工器和双工开关是重要的组成器件。一个双工器如果集成了射频开关和带通滤波器的性能得到双工滤波开关；它可以用来实现多个收发信机的射频前端电路中的多频多模无线模块共用一副天线，从而极大的减小了系统的体积。

双工滤波开关要求具有较小的插入损耗，从而提高天线接收的信噪比；同时要具有很高的隔离，防止发射端的信号耦合如接收端，烧坏接收机。近年来，海内外学者在相关方面展开了很多研究。性能最优异的腔体双工器，具有低插损，高隔离等特点，但是造价过于昂贵，而且体积较大，重量重，限制了腔体双工器在某些场景中的应用。微带结构的器件具有造价低、重量轻、体积小等优点；许多学者也用它来实现双工器或双工开关电路；比如有学者使用了阶跃阻抗谐振器和公共谐振器的技术实现了单刀双掷的滤波开关，但是它只能工作在一个工作频段；另外也有学者基于平行耦合滤波器设计了双工开关电路，但是它在某一时刻只能有一路输出，不能作为双工器，同时工作在两个工作频段。目前还很少提出有双工滤波开关可以任意切换至其中一个工作频带或同时工作在两个工作频段或两个工作频段都不工作的几种状态。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于耦合控制的双工滤波开关。

本发明使用三条馈电线和四个谐振器组成了两个工作于不同频带的滤波网络；开关电路加载于两条输出馈电线上，用于控制馈电线与谐振器的耦合；该双工滤波开关可以分别工作在两个不同的工作频段或在两个工作频段同时工作或不工作；当它只工作于其中一个频段时，谐振于另外一个工作频带的两个谐振器加载于输入馈电线上，形成带阻特性，在另一个工作频带内具有很好的抑制效果；当两个频段工作时，具有很好的滤波双工器的性能；该滤波双工开关还具有宽阻带的效果，20dB的带外抑制效果达到3倍工作频率以上；本发明提出的双工滤波开关可以适用于两个频率靠得很近的工作频带。

本发明采用如下技术方案：

一种基于耦合控制的双工滤波开关，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构包括第一馈电线、第二馈电线、第三馈电线、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第一开关电路及第二开关电路，所述第一、第二及第三馈电线分别对应连接第一端口、第二端口及第三端口，所述第二馈电线一端与第一开关电路连接，另一端通过第一电容接地，所述第三馈电线一端与第二开关电路连接，另一端通过第二电容接地；

所述第一馈电线与第一谐振器耦合，第一谐振器与第二谐振器耦合，第二谐振器与第二馈电线耦合，形成第一滤波网络；

所述第一馈电线与第三谐振器耦合，第三谐振器与第四谐振器耦合，第四谐振器与第三馈电线耦合，形成第二滤波网络。

所述第一开关电路及第二开关电路的结构相同，均由电容、电感及开关二极管构成。

所述第二端口设置在第二馈电线的中间位置，用于实现第二馈电线与第二谐振器的耦合系数的控制；

所述第三端口设置在第三馈电线的中间位置，用于实现第三馈电线与第四谐振器的耦合系统的控制；

所述第一端口设置在第一馈电线的一端。

还包括第一T型微带结构及第二T型微带结构，分别设置在第一谐振器及第三谐振器物理尺寸的中间位置。

所述第一滤波网络的工作频率与第二滤波网络的工作频率不同，第一滤波网络的工作频率由第一谐振器和第二谐振器的谐振频率决定，所述第二滤波网络的工作频率由第三谐振器和第四谐振器的谐振频率决定。

所述第二谐振器和第四谐振器的长度分别为第一滤波网络及第二滤波网络工作频率所对应的波导波长的一半。

第二馈电线及第三馈电线连接电容的电容值大小由加载在第一开关电路和第二开关电路的加载电压使开关二极管导通时的电容效应决定，且使第二端口及第三端口处于第二馈电线和第三馈电线的中间位置。

所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器及第四谐振器均是开环结构，按照从左至右的顺序为：第二谐振器、第一谐振器、第三谐振器及第四谐振器，所述第一及第二谐振器的开环位置相同，所述第三谐振器及第四谐振器的开环位置相同。

本发明工作在四种状态，分别为状态一、状态二、状态三及状态四，

状态一时，第一端口到第二端口为通路，第一端口到第三端口为断路；

状态二时，第一端口到第二端口为断路，第一端口到第三端口为通路；

状态三时，第一端口到第二端口和第三端口都为通路；

状态四时，第一端口到第二端口和第三端口都为断路。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用耦合控制的方法实现对双工滤波开关的控制，当某一路工作时，开关二极管处于关断的状态，信号不通过，不会引入额外的损耗，实现了低损耗；

(2)本发明的双工滤波开关只工作于其中一个频段时，谐振于另外一个工作频带的两个谐振器加载于输入馈电线上，形成带阻特性，在另一个工作频带内具有很好的抑制效果；

(3)本发明的双工滤波开关可以在两个工作频带同时工作，实现很好的双工器性能。

附图说明

图1是本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关的结构图；

图2是本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态一的实验结果图；

图3是本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态二的实验结果图；

图4是本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态三的实验结果图；

图5是本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态四的实验结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于耦合控制的双工滤波开关，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板。

所述上层微带结构包括第一馈电线1、第二馈电线6、第三馈电线7、第一谐振器2、第二谐振器3、第三谐振器4、第四谐振器5、第一及第二电容12、13，第一开关电路10及第二开关电路11，所述第一、第二及第三馈电线分别对应连接第一端口P1、第二端口P2及第三端口P3，所述第二馈电线6一端与第一开关电路10连接，另一端通过第一电容12接地，所述第三馈电线一端与第二开关电路11连接，另一端通过第二电容13接地；

整个上层微带结构中，第一馈电线位于中间位置，左侧依次是第一谐振器、第二谐振器及第二馈电线，右侧依次是第三谐振器、第四谐振器及第三馈电线。

所述第一端口P1位于第一馈电线的下方，所述第二端口P2位于第二馈电线的中间位置，用于实现对第二馈电线与第二谐振器的耦合系数的控制，所述第三端口P3位于第三馈电线的中间位置，用于实现第三馈电线与第四谐振器的耦合系统的控制。

所述第一、第二、第三及第四谐振器均为开环结构，具体第一及第二谐振器的开环位置相同，第三及第四谐振器的开环位置相同。

所述第一馈电线1与第一谐振器2耦合，第一谐振器2与第二谐振器3耦合，第二谐振器2与第二馈电线耦合，形成第一滤波网络，所述第一滤波网络的工作频率由第一谐振器和第二谐振器的谐振频率决定。

所述第一馈电线与第三谐振器耦合，第三谐振器与第四谐振器耦合，第四谐振器与第三馈电线耦合，形成第二滤波网络，第二滤波网络的工作频率由第三谐振器和第四谐振器的谐振频率决定；并且这两个滤波网络的工作频率不相同。

所述第二谐振器和第四谐振器的长度分别为本发明双工滤波开关的两个工作频率所对应的波导波长的一半；所述的第一谐振器和第三谐振器物理尺寸的中间分别设置有第一T型微带结构8和第二T型微带结构9，用来实现第一谐振器的偶数次谐振频率与第二谐振器的偶数次谐振频率不相同，第三谐振器的偶数次谐振频率与第四谐振器的偶数次谐振频率不相同，实现宽阻带的效果,其余部分分别与第二谐振器和第四谐振器完全相同。

两个T型微带结构朝向开环处，本实施例中第一T型微带结构的尺寸大于第二T型微带结构的尺寸。

所述第一开关电路及第二开关电路设置有两组直流电压，控制两组直流电压，第一及第二开关电路均由电容、电感及开关二极管构成。

所述的加载在第二馈电线和第三馈电线的接地电容的电容值分别由第一开关电路和第二开关电路在加载电压使开关二极管导通时的电容效应决定，用来平衡开关电路的电容效应，使第二端口和第三端口仍然分别处于第二馈电线和第三馈电线的中间。

所述一种基于耦合控制的双工滤波开关可以工作在四种状态，分别为状态一，状态二、状态三和状态四；状态一时，第一端口到第二端口为通路，第一端口到第三端口为断路；状态二时，第一端口到第二端口为断路，第一端口到第三端口为通路；状态三时，第一端口到第二端口和第三端口都为通路；状态四时，第一端口到第二端口和第三端口都为断路。

图2所示本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态一的实验结果图，从S21可以看出，其中第一个工作频带工作时，从第一端口到第二端口具有良好的滤波性能，中心频率2.1GHz，回波损耗大于20dB，带外产生了两个传输零点，分别在2.4和2.59GHz频率处，位于第二个工作频带，很好地抑制了第二个工作频带的信号，带外20dB抑制水平达到了8GHz，具有宽阻带效果；从第三端口到第一和第二端口在两个通带范围内具有很好的隔离，大于40dB。

图3所示本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态二的实验结果图，从S31可以看出，其中第一个工作频带工作时，从第一端口到第二端口具有良好的滤波性能，中心频率2.45GHz，回波损耗大于20dB，带外产生了两个传输零点，分别在2.01和2.17GHz频率处，位于第一个工作频带，很好地抑制了第二个工作频带的信号，带外20dB抑制水平达到了8GHz，具有宽阻带效果；从第二端口到第一和第三端口在两个通带范围内具有很好的隔离，大于40dB。

图4所示本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态三的实验结果图，从S21和S31可以看出具有很好的双工器的性能，两个频带的回波损耗均大于20dB，第二和第三端口之间的隔离在整个频率范围内都大于20dB，带外抑制大于20dB的频率范围达到了8GHz。

图5所示本发明一种基于耦合控制的滤波双工开关工作于状态四的实验结果图，可以看出在全关状态下，通带范围内具有很好的隔离，大于40dB。

本发明使用三条馈电线和四个谐振器组成了两个工作于不同频带的滤波网络；开关电路加载于两条输出馈电线上，用于控制馈电线与谐振器的耦合；该双工滤波开关可以分别工作在两个不同的工作频段或在两个工作频段同时工作或不工作；当它只工作于其中一个频段时，谐振于另外一个工作频带的两个谐振器加载于输入馈电线上，形成带阻特性，在另一个工作频带内具有很好的抑制效果；当两个频段工作时，具有很好的滤波双工器的性能；该滤波双工开关还具有宽阻带的效果，20dB的带外抑制效果达到3倍工作频率以上；

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所述实施例的限制，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 (9)

1.一种基于耦合控制的双工滤波开关，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，其特征在于，所述上层微带结构包括第一馈电线、第二馈电线、第三馈电线、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第一开关电路及第二开关电路，所述第一、第二及第三馈电线分别对应连接第一端口、第二端口及第三端口，所述第二馈电线一端与第一开关电路连接，另一端通过电容接地，所述第三馈电线一端与第二开关电路连接，另一端通过电容接地；

所述第一馈电线与第一谐振器耦合，第一谐振器与第二谐振器耦合，第二谐振器与第二馈电线耦合，形成第一滤波网络；

所述第一馈电线与第三谐振器耦合，第三谐振器与第四谐振器耦合，第四谐振器与第三馈电线耦合，形成第二滤波网络。

2.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，所述第一开关电路及第二开关电路的结构相同，均由电容、电感及开关二极管构成。

3.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，所述第二端口设置在第二馈电线的中间位置，用于实现第二馈电线与第二谐振器的耦合系数的控制；

所述第三端口设置在第三馈电线的中间位置，用于实现第三馈电线与第四谐振器的耦合系统的控制；

所述第一端口设置在第一馈电线的一端。

4.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，还包括第一T型微带结构及第二T型微带结构，分别设置在第一谐振器及第三谐振器物理尺寸的中间位置。

5.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，所述第一滤波网络的工作频率与第二滤波网络的工作频率不同，第一滤波网络的工作频率由第一谐振器和第二谐振器的谐振频率决定，所述第二滤波网络的工作频率由第三谐振器和第四谐振器的谐振频率决定。

6.根据权利要求5所述的双工滤波开关，其特征在于，所述第二谐振器和第四谐振器的长度分别为第一滤波网络及第二滤波网络工作频率所对应的波导波长的一半。

7.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，第二馈电线及第三馈电线连接电容的电容值大小由加载在第一开关电路和第二开关电路的加载电压使开关二极管导通时的电容效应决定，且使第二端口及第三端口处于第二馈电线和第三馈电线的中间位置。

8.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器及第四谐振器均是开环结构，按照从左至右的顺序为：第二谐振器、第一谐振器、第三谐振器及第四谐振器，所述第一及第二谐振器的开环位置相同，所述第三谐振器及第四谐振器的开环位置相同。

9.根据权利要求1所述的双工滤波开关，其特征在于，本发明工作在四种状态，分别为状态一、状态二、状态三及状态四，

状态一时，第一端口到第二端口为通路，第一端口到第三端口为断路；

状态二时，第一端口到第二端口为断路，第一端口到第三端口为通路；

状态三时，第一端口到第二端口和第三端口都为通路；

状态四时，第一端口到第二端口和第三端口都为断路。