CN108493532B - 一种带宽可调的微带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，为了克服传统微带滤波器的性能不可调等不足，提供一种带宽可调的微带滤波器。通过奇偶模分析方法深入分析了物理机制，揭示了关键参数对于可调滤波器性能的影响。最终的仿真结果和测试结果表明：该可调滤波器的带宽可以在较宽的频率范围进行调整；在通带两侧各有一个传输零点，能够有效得改善频率选择性；具有高性能、小尺寸和容易设计等优点。

Description

一种带宽可调的微带滤波器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种带宽可调的微带滤波器。

背景技术

滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统性能具有重要的影响。滤波器的技术指标包括通带带宽、插入损耗、通带波动、回波损耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群时延等。在射频/微波/光频等较高频段内，主要使用微带线、带状线、槽线、鳍线、共面波导、同轴线、波导等多种传输线结构。这些传输线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。在这些频段内，通常使用波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器及微带线滤波器等传输线滤波器。其中，微带滤波器具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线滤波器。此外，随着现代通信的快速发展,WCDMA、WLANs等无线通信新技术不断涌现，它们大多聚集在射频及微波频段的低频段,这使得频谱资源特别拥挤。传统微带滤波器的中心频率和通带都无法灵活调整，存在性能固定的缺点。因此，探索具有性能可调的新型微带滤波器具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统微带滤波器的性能不可调的缺点，提供了一种新型的微带滤波器。通过引入可调元件，在保持中心频率固定的前提下，可以灵活改变微带滤波器的带宽，具有高性能、小尺寸和容易设计等优点。以下简称为可调滤波器。

典型微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所述的可调滤波器的结构如图2所示，在金属上覆层(I)刻蚀如图2所示的图案，其特征在于：第一馈线(1)连接到第一平行耦合线节(2)的左端；第一平行耦合线节(2)的右端连接了第二平行耦合线节(3)、传输线节(4)和第三平行耦合线节(5)；第三平行耦合线节(5)右端连接到第二馈线(6)；第二平行耦合线节(3)的下端连接了两个第一可变电容(C₁)；传输线节(4)的上端连接了第二可变电容(C₂)；由此构成带宽可调的微带滤波器。

本发明所述的可调滤波器是关于中心平面左右对称的。为方便分析，可调滤波器的电气参数用以下符号表示：Y_1o、Y_1e和θ₁分别表示第一平行耦合线节(2)的奇模导纳、偶模导纳和电长度；Y_2o、Y_2e和θ₂分别表示第二平行耦合线节(3)的奇模导纳、偶模导纳和电长度；Y₃和θ₃分别表示传输线节(4)的导纳和电长度。

采用奇偶模分析方法来分析可调滤波器的特性。奇模等效电路如图3所示，其中Y_odd表示奇模输入导纳。偶模等效电路如图4所示，其中Y_even表示偶模输入导纳，Y_eI、Y_eII和Y_ein分别表示对应方向看进去的输入导纳。奇模输入导纳Y_odd和偶模输入导纳Y_even的表达式为：

其中，Y_C1、Y_C2、Y_eI、Y_eII、Y_ein和Y_ij(其中i,j＝1,2,3,4)表示对应的导纳，且

Y_ein＝Y_eI+Y_eII (7)

通过下面公式可以计算得到散射参数S₁₁和S₁₂

其中，Y_o是第一馈线(1)和第二馈线(6)的特性导纳。

本发明所述的可调滤波器的有益效果是：通带带宽可以灵活调整；在通带两边各有一个传输零点，极大改善了频率选择性；尺寸较小，设计过程简单，容易调试等显著优点。

附图说明

图1：微带线结构示意图；

图2：可调滤波器结构示意图；

图3：可调滤波器的奇模等效电路图；

图4：可调滤波器的偶模等效电路图；

图5：可调滤波器的电路仿真结果图；

图6：第一可变电容(C₁)对可调滤波器的三个谐振频率的影响示意图；

图7：第二可变电容(C₂)对可调滤波器的三个谐振频率的影响示意图；

图8：第一平行耦合线节(2)的长度L₁对可调滤波器的三个谐振频率的影响示意图；

图9：第一可变电容(C₁)对可调滤波器的两个传输零点的影响示意图；

图10：第二可变电容(C₂)对可调滤波器的两个传输零点的影响示意图；

图11：实施例的仿真结果和测试结果图。

具体实施方式

为了体现本发明的创造性和新颖性，下面深入分析该可调滤波器的物理机制。在分析过程中，将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。不失一般性，实施例实现一个中心频率在2.30GHz的带通频率响应，带宽可以灵活调整。

实施例的电气参数为：Y_1o＝0.016S,Y_1e＝0.008S,Y_2o＝0.114S,Y_2e＝0.007S和Y₃＝0.027S；在中心频率处，θ₁＝92.14°,θ₂＝20°和θ₃＝23°。在图5中，给出了针对三组电容值的可调滤波器的电路仿真结果。调整第一可变电容(C₁)和第二可变电容(C₂)，对可调滤波器的带宽进行调整。

可调滤波器具有三个主要谐振频率，分别用f_e、f_s和f_o表示。在图6中，给出了第一可变电容(C₁)对可调滤波器的三个谐振频率的影响。在图7中，给出了第二可变电容(C₂)对可调滤波器的三个谐振频率的影响。当第一可变电容(C₁)增加，f_o将变小，而f_e和f_s基本保持不变；当第二可变电容(C₂)增加，f_e将变小，而f_o和f_s基本保持不变。因此，第一可变电容(C₁)和第二可变电容(C₂)对f_s基本没有影响。在图8中，给出了第一平行耦合线节(2)的长度L₁对于三个谐振频率的影响。当L₁增加时，f_s变小，而f_e和f_o基本保持不变。

可调滤波器具有两个传输零点，分别用f_TZ1和f_TZ2表示。它们位于通带的两侧，有效得改善了频率选择性。在图9中，给出了第一可变电容(C₁)对两个传输零点的影响。在图10中，给出了第二可变电容(C₂)对两个传输零点的影响。改变第一可变电容(C₁)，可以移动传输零点f_TZ1；改变第二可变电容(C₂)，可以移动传输零点f_TZ2。

最终，选用微带基片对实施例进行了加工测试。微带基片的介电常数为3.66，厚度为0.508mm。仿真结果和测试结果在图11中给出。两者吻合较好，充分说明了前面所述分析的正确性。通过改变第一可变电容(C₁)和第二可变电容(C₂)，在图11中给出了三组带通响应。这三组带通响应分别覆盖通带[1.84,2.78]GHz、[2.01,2.67]GHz和[2.15,2.43]GHz。该滤波器实现了12.1％到40.87％的带宽调谐范围，而且插入损耗介于0.9dB到2.8dB之间。整个滤波器尺寸为0.279λ_g×0.132λ_g，其中λ_g为中心频率所对应的波导波长。

以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的可调滤波器具有优异的频率响应、尺寸较小、设计过程简单等优点。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通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实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种带宽可调的微带滤波器，其特征在于：第一馈线(1)连接到第一平行耦合线节(2)的左端；第一平行耦合线节(2)的右端连接了第二平行耦合线节(3)、传输线节(4)和第三平行耦合线节(5)；第三平行耦合线节(5)右端连接到第二馈线(6)；第二平行耦合线节(3)的下端连接了两个第一可变电容(C₁)；传输线节(4)的上端连接了第二可变电容(C₂)；由此构成的微带滤波器实现三阶带通响应，在通带每侧各有一个传输零点。

2.根据权利要求1所述的带宽可调的微带滤波器，具有三个主要的谐振频率，分别用f_e、f_s和f_o表示；当第一可变电容(C₁)增加，f_o将变小，而f_e和f_s基本保持不变；当第二可变电容(C₂)增加，f_e将变小，而f_o和f_s基本保持不变；第一平行耦合线节(2)的长度L₁增加时，f_s变小，而f_e和f_o基本保持不变。

3.根据权利要求1所述的带宽可调的微带滤波器，具有两个传输零点，分别用f_TZ1和f_TZ2表示，它们位于通带的两侧；改变第一可变电容(C₁)，可以移动传输零点f_TZ1；改变第二可变电容(C₂)，可以移动传输零点f_TZ2。

4.根据权利要求1所述的带宽可调的微带滤波器，可调滤波器的电气参数用以下符号表示：Y_1o、Y_1e和θ₁分别表示第一平行耦合线节(2)的奇模导纳、偶模导纳和电长度；Y_2o、Y_2e和θ₂分别表示第二平行耦合线节(3)的奇模导纳、偶模导纳和电长度；Y₃和θ₃分别表示传输线节(4)的导纳和电长度；Y_odd表示奇模输入导纳，Y_even表示偶模输入导纳，Y_eI、Y_eII和Y_ein分别表示对应方向看进去的输入导纳；奇模输入导纳Y_odd和偶模输入导纳Y_even的表达式为：

其中，Y_C1、Y_C2、Y_eI、Y_eII、Y_ein和Y_ij(其中i,j＝1,2,3,4)表示对应的导纳，且

Y_ein＝Y_eΙ+Y_eΙΙ

。

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