CN109524748A - 一种频率可调谐微带平衡带通滤波器 - Google Patents

一种频率可调谐微带平衡带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种频率可调谐微带平衡带通滤波器，包括两个步进阻抗谐振器和四个步进阻抗平行耦合馈线；每个步进阻抗谐振器均包括低电抗线、高电抗线和变容二极管；低电抗线包括短低电抗线和长低电抗线；高电抗线的一端连接调控电压，另一端与短低电抗线连接，短低电抗线的另一端通过变容二极管与长低电抗线相连接；每个步进阻抗平行耦合馈线均包括水平馈线和垂直馈线。本发明通过两个谐振器间灵活可控的混合电磁耦合，实现需要的耦合系数K 12。还能通过设计步进阻抗平行耦合馈线来获得期望的外部品质因数Q e，并通过混合耦合和源与负载耦合分别产生两个靠近上下通带边缘的差分模式传输零点。此外，通带对应的高共模抑制特性保持稳定。

Description

一种频率可调谐微带平衡带通滤波器
技术领域
本发明涉及于无线通信技术领域，特别是一种频率可调谐微带平衡带通滤波器。
背景技术
对绝大多数的射频和微波通信系统的性能而言，噪声效应有着绝足轻重的作用。平衡滤波器在通信系统中至关重要，因为其在减少系统不同元件之间的干扰、噪声和串扰方面起着关键作用。平衡滤波器可以使差分模式对期望的频率响应具有高选择性，共模在较宽的频带上被很好地抑制，具有抗环境噪声能力强。
目前的平衡滤波器大多数采用电耦合谐振器结构，虽然可以实现高共模抑制，但是差模响应存在有选择性的劣化。
另一方面，随着无线通信技术的飞速发展，通常需要通过具有相同带宽的一系列信道进行通信。频率可调谐带通滤波器是一个重要的课题，其在可重构通信系统中是非常可取的。并且随着现代无线通信系统向小型化、多频带、低成本方向发展，电可调谐滤波器越来越受到人们的重视。然而，对于高选择性和高共模抑制，众多学者设计出的电可调谐滤波器只能实现其中之一，并且他们大多采用大量集总电容器来实现Q e预期的变化，从而导致结构复杂，增加了设计的不确定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种频率可调谐微带平衡带通滤波器，该频率可调谐微带平衡带通滤波器结构紧凑，能同时实现高选择性和共模抑制的，调节频率过程中带宽保持恒定。同时，差模响应不存在选择性的劣化。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种频率可调谐微带平衡带通滤波器，包括介质基板和印刷在介质基板上层的两个步进阻抗谐振器和四个步进阻抗平行耦合馈线。
介质基板底部包覆有下金属层，作为滤波器的地。
两个步进阻抗谐振器关于垂直轴左右对称，每个步进阻抗谐振器均包括关于水平轴上下对称且平行布设的两条水平微带线；每条水平微带线均包括低电抗线、高电抗线和变容二极管；低电抗线的宽度小于高电抗线的宽度，其中，宽度为沿垂直轴方向的尺寸，长度为沿水平轴方向的尺寸。
低电抗线包括短低电抗线和长低电抗线，短低电抗线的长度小于长低电抗线的长度。
高电抗线的一端连接调控电压，高电抗线的另一端与短低电抗线的一端连接，短低电抗线的另一端通过变容二极管与长低电抗线的一端相连接。
两个步进阻抗谐振器中位于同一轴线上的两根长低电抗线相连接，且连接处与电阻的一端连接，电阻的另一端接地。
四个步进阻抗平行耦合馈线关于水平轴上下对称，且关于垂直轴左右对称。
每个步进阻抗平行耦合馈线均包括水平馈线和垂直馈线。
水平馈线包括窄边和宽边，窄边的宽度小于宽边的宽度；窄边水平设置在高电抗线的外侧，且不小于高电抗线的长度；宽边的一端与窄边连接，宽边平行设置在低电抗线的外侧，宽边长度大于短低电抗线和变容二极管的长度之和。
垂直馈线的一端与窄边垂直连接，垂直馈线的另一端作为滤波器的输入或输出端口。
变容二极管的电容调节范围为0.69-13.3 pF，调控电压的调控范围为20-0V。
变容二极管采用Skyworks公司制作的硅变容二极管SMV1281。
沿垂直轴方向，高电抗线与窄边之间的间距和宽边与低电抗线之间的间距相等。
沿垂直轴方向，高电抗线与窄边之间的间距为0.16m。
高电抗线的长度为10mm，宽度为2.2mm；短低电抗线的长度为4.46mm，宽度为0.8mm；长低电抗线的长度为20.8mm，宽度为0.8mm；窄边的长度为10.16mm，宽度为0.4mm；宽边的长度为12mm，宽度为2.15mm。
电阻的阻值为1000k。
垂直馈线的特征阻抗为50欧姆。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够通过两个谐振器的混合耦合得到期望的耦合系数K 12和通过步进阻抗平行耦合馈线结构得到外部品质因数Q e。
2、本发明能够通过混合耦合和源负载耦合分别产生上下通带边缘附近的两个差分模式传输零点，实现高选择性。
3、本发明由于采用磁耦合谐振器结构，由于磁耦合谐振器结构的固有属性，频率可调，共模时，通带中的固有高共模抑制特性保持稳定。差模响应不存在选择性的劣化。大大减少集总器件的使用，使结构简单减少了设计的不确定性。
4、本发明能够使结构紧凑，在保持相对带宽恒定时实现频率调谐。
附图说明
图1显示了本发明中介质基板的结构示意图。
图2显示了本发明的频率可调谐微带平衡带通滤波器的具体结构示意图。
图3（a）显示了在差模信号激励下本发明的频率可调谐微带平衡带通滤波器的仿真和测量结果示意图。
图3（b）显示了在共模信号激励下本发明的频率可调谐微带平衡带通滤波器的仿真和测量结果示意图。
其中有：
10. 步进阻抗谐振器；
11.短低电抗线；12.变容二极管；13.长低电抗线；14.电阻；15.高电抗线；
20. 步进阻抗平行耦合馈线；
21.窄边；22.宽边；23.垂直馈线。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明以工作在WLAN系统中心频率为1.55GHz为例进行说明。
如图2所示，一种频率可调谐微带平衡带通滤波器，包括介质基板和印刷在介质基板上层的两个步进阻抗谐振器10和四个步进阻抗平行耦合馈线20。
如图1所示，介质基板S1的顶部包覆有上金属层S2，两个步进阻抗谐振器10和四个步进阻抗平行耦合馈线20均优选印刷在上金属层上。
介质基板S1优选采用相对介电常数为3.55，厚度为0.813 mm的PCB板，也可以采用其他规格的PCB板。
介质基板底部包覆有下金属层S3，作为滤波器的地。
两个步进阻抗谐振器关于垂直轴（也即S轴）左右对称，每个步进阻抗谐振器均包括关于水平轴（也即X轴）上下对称且平行布设的两条水平微带线。
每条水平微带线均包括低电抗线、高电抗线15和变容二极管12。
低电抗线的宽度小于高电抗线的宽度，低电抗线包括短低电抗线11和长低电抗线13，短低电抗线的长度小于长低电抗线的长度。
本发明中，所涉及的宽度均为沿垂直轴（也即S轴）方向的尺寸，所涉及的长度均为沿水平轴（也即X轴）方向的尺寸。
进一步，高电抗线的长度L 1优选为10mm，宽度w 1优选为2.2mm；短低电抗线的长度L 2优选为4.46mm，宽度w 2优选为0.8mm；长低电抗线的长度L 3优选为20.8mm，宽度w 2优选为0.8mm。
高电抗线的一端连接调控电压，高电抗线的另一端与短低电抗线的一端连接，短低电抗线的另一端通过变容二极管与长低电抗线的一端相连接。
上述调控电压的调控范围优选为20-0V；变容二极管作为调谐元件，优选采用Skyworks公司制作的硅变容二极管SMV1281，RS=1.7 Ω，LS=1.2 nH，电容调节范围C1优选0.69-13.3 pF。
两个步进阻抗谐振器中位于同一轴线上的两根长低电抗线相连接（也可使用一整根微带线），且连接处（当为一整根时，为与S轴交接处）与电阻14的一端连接，电阻的另一端接地。
上述电阻的阻值优选为1000k。
四个步进阻抗平行耦合馈线关于水平轴上下对称，且关于垂直轴左右对称。
每个步进阻抗平行耦合馈线均包括水平馈线和垂直馈线23。
水平馈线包括窄边21和宽边22。
窄边的宽度小于宽边的宽度；窄边水平设置在高电抗线的外侧，且不小于高电抗线的长度；宽边的一端与窄边连接，宽边平行设置在低电抗线的外侧，宽边长度大于短低电抗线和变容二极管的长度之和。
窄边的长度L 4优选为10.16mm，宽度w 3优选为0.4mm；宽边的长度L 5优选为12mm，宽度w 4优选为2.15mm。
窄边和宽边的外侧边平齐，沿垂直轴方向，高电抗线与窄边之间的间距和宽边与低电抗线之间的间距相等，间距值优选为0.16m。
垂直馈线的一端与窄边垂直连接，垂直馈线的另一端作为滤波器的输入或输出端口，分别为port1、port2和port、port。垂直馈线的特征阻抗优选为50欧姆，用于馈入能量。
在差模激励(幅度相同，相位相差180°)下，步进阻抗谐振器和步进阻抗平行耦合馈线分别用来代替均匀阻抗谐振器和并联耦合馈线，这样可以获得紧凑的尺寸和宽的上阻带性能。同时，可以灵活设计更多的参数以获得期望的耦合系数K 12和外部品质因数Q e。
忽略寄生效应，变容二极管可以等效于阻抗谐振器的一部分。随着变容二极管电容随调控电压的变化，谐振频率也会发生变化，电磁场分布也会发生变化。因此，电和磁耦合系数可以随频率变化。
另外，变容二极管的位置影响磁耦合和电耦合的强度，并且调整随中心频率变化的总耦合系数是另一个自由度。因此，可以在调谐范围内获得预定义的耦合系数。此外，通过适当地设计抽头（也即垂直馈线）位置、间隙（如高电抗线与窄边之间的间距）以及步进阻抗平行耦合馈线的长度和特性导纳比，可以在没有任何额外集总电容的情况下获得期望的Q e斜率和绝对值。
本发明设计了的频率可调谐的平衡带通滤波器，相对带宽为6.5%。随着差模通带中心频率f 0移位，为了保持恒定的相对带宽，K 12和Q e是不变的。对于初始设计，C1设为0.69pF，中心频率为1.55 GHz。此外，进行了五个不同调谐电容值（0.69、1、2、4和13.3 pF）下的全波仿真频率响应，并与相应f 0下的合成响应进行了比较。如图3（a）所示，仿真结果与合成结果吻合得很好。变容二极管的Q值越大，电容值越大，低频损耗越大。由于S－L耦合的自适应性，TZD2与合成的相符合。
分析共模等效电路，从图3（b）可以看出，由于磁耦合谐振器结构，可调平衡带通滤波器可以在差模工作通带上实现大于50dB的共模抑制。并且可以看出，共模传输零点与奇偶模的相位速度差有关，这可以进一步改善共模的抑制。
在图3（a）和3（b）中，虚线表示仿真值，实线表示测量值。
为了验证仿真结果，并实现本发明的技术，制作了具有恒定相对带宽为6.5%的紧凑型频率可调谐平衡带通滤波器。如图2所示，在SIR和对称线的开口端加载有1000 kΩ电阻实现的六个射频扼流圈。由安捷伦网络分析仪N5230C测量得出图3（a）和3（b）所示结果，与仿真结果吻合良好。所描述的差异主要是变容二极管的低Q值的影响。当偏置电压VC从20V降低到0 V时，差模中心频率f 0可以在1.55到1.03 GHz之间调谐，调谐范围为40％。测得的3 dB相对带宽为6.5±0.1%，插入损耗为1.8～3.9 dB。获得接近通带的两个差模传输零点以实现高选择性。测量的共模抑制在差模工作通带上大于50 dB。
总之，本发明所提出的滤波器在可调情况下实现带宽恒定、较好的差模选择性和高共模抑制，在可调滤波器领域具有很强的竞争力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：包括介质基板和印刷在介质基板上层的两个步进阻抗谐振器和四个步进阻抗平行耦合馈线；
介质基板底部包覆有下金属层，作为滤波器的地；
两个步进阻抗谐振器关于垂直轴左右对称，每个步进阻抗谐振器均包括关于水平轴上下对称且平行布设的两条水平微带线；每条水平微带线均包括低电抗线、高电抗线和变容二极管；低电抗线的宽度小于高电抗线的宽度，其中，宽度为沿垂直轴方向的尺寸，长度为沿水平轴方向的尺寸；
低电抗线包括短低电抗线和长低电抗线，短低电抗线的长度小于长低电抗线的长度；
高电抗线的一端连接调控电压，高电抗线的另一端与短低电抗线的一端连接，短低电抗线的另一端通过变容二极管与长低电抗线的一端相连接；
两个步进阻抗谐振器中位于同一轴线上的两根长低电抗线相连接，且连接处与电阻的一端连接，电阻的另一端接地；
四个步进阻抗平行耦合馈线关于水平轴上下对称，且关于垂直轴左右对称；
每个步进阻抗平行耦合馈线均包括水平馈线和垂直馈线；
水平馈线包括窄边和宽边，窄边的宽度小于宽边的宽度；窄边水平设置在高电抗线的外侧，且不小于高电抗线的长度；宽边的一端与窄边连接，宽边平行设置在低电抗线的外侧，宽边长度大于短低电抗线和变容二极管的长度之和；
垂直馈线的一端与窄边垂直连接，垂直馈线的另一端作为滤波器的输入或输出端口。
2.根据权利要求1所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：变容二极管的电容调节范围为0.69-13.3 pF，调控电压的调控范围为20-0V。
3.根据权利要求2所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：变容二极管采用Skyworks公司制作的硅变容二极管SMV1281。
4.根据权利要求1所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：沿垂直轴方向，高电抗线与窄边之间的间距和宽边与低电抗线之间的间距相等。
5.根据权利要求4所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：沿垂直轴方向，高电抗线与窄边之间的间距为0.16m。
6.根据权利要求1所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：高电抗线的长度为10mm，宽度为2.2mm；短低电抗线的长度为4.46mm，宽度为0.8mm；长低电抗线的长度为20.8mm，宽度为0.8mm；窄边的长度为10.16mm，宽度为0.4mm；宽边的长度为12mm，宽度为2.15mm。
7.根据权利要求1所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：电阻的阻值为 1000k。
8.根据权利要求1所述的频率可调谐微带平衡带通滤波器，其特征在于：垂直馈线的特征阻抗为50欧姆。
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