CN109728388B - 一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，包括金属腔体及设置在金属腔体内的同轴谐振杆、频率调节电路、输入端口、输出端口和PCB板，所述PCB板的下表面设置金属层与金属腔体底面相连，其上表面设置金属圆盘及频率调节电路，所述同轴谐振杆一端与金属腔体的顶面连接实现短路，其另一端通过金属圆盘与频率调节电路连接，构成频率可调的谐振器，所述输入端口及输出端口与同轴谐振杆相连，实现对同轴谐振杆的馈电。本发明的电调滤波器适用于698‑960MHz的LTE频段，具有中心频率调谐时绝对带宽恒定、高选择性和低损耗等特点，可用于无线通信的可重构射频前端。
Description
技术领域
本发明涉及同轴滤波器，具体涉及一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器。
背景技术
滤波器是无线通信系统中最常用的无源器件，特别是带通滤波器，只允许通带以内的信号通过，而滤除带外无用的干扰信号，这对于确保通信设备的良好接收具有重要的意义。电调滤波器等价于多个不同频率滤波器的组合，不但具有上述特点，而且可以在一定范围内灵活地调节通带中心频率。例如在软件自定义的数字射频系统中，电调滤波器被用来取代大型的滤波器组，从而大大地节省安装成本和空间；另外，为了提高重构信号的准确性和效率，对可调窄带滤波器的选择性、损耗以及恒定带宽都提出了更高的研发要求。因此开展关于低损耗、高选择性且绝对带宽恒定的电调带通滤波器的深入研究，具有重要的理论意义和应用价值。
目前已经有一些关于电调滤波器的研究报道，不同类型的滤波器结构和调谐装置也已经被使用，例如微带线、基片集成波导(SIW)、同轴腔体以及介质等结构，调谐元件中，半导体变容二极管、机械电机系统以及射频微机电系统(RF-MEMS)器件应用较为广泛。
不管采用何种结构以及调谐元件，射频电调滤波器研究的主要目标是实现：更宽的频率调谐范围、更小的损耗和体积、调谐范围内的波形保持和带宽恒定、更高的通带选择性和带外抑制性能、更快的调谐速度以及更低的成本等等。
微带线以及基片集成波导结构具有设计制作简单、成本低、且容易与调谐元件集成等优点，但因其Q值较低而常常引入较大的插入损耗，无法在大多数实际应用中使用。因此，在目前的无线基站和卫星系统中，主要采用三维同轴谐振器和介质谐振器来实现高Q值的可调滤波器。可调谐介质滤波器因其极高的Q值而引起了极大的关注，但是，由于场分布主要集中在介质内部，其调谐范围一般限制在12％以下。调谐元件中，机械电机系统或者手动螺钉调节的方式有利于保持调谐范围内较低的插入损耗水平，但都存在调速慢的问题，机械电机系统还存在体积过大和成本高等缺点；RF-MEMS器件调谐的一个主要挑战是较难实现大量的调谐状态，且MEMS开关与电容器的混合集成往往导致很高的插入损耗和成本。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，本发明可应用在多频带、宽频带和可重构射频前端系统中，采用变容管加载同轴谐振杆结构实现宽范围内快速连续的频率调谐，中心频率调谐时保持绝对带宽恒定和高选择性的电调同轴滤波器。
本发明采用如下技术方案：
一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，包括金属腔体及设置在金属腔体内的同轴谐振杆、频率调节电路、输入端口、输出端口和PCB板，所述PCB板的下表面设置金属层与金属腔体底面相连，其上表面设置金属圆盘及频率调节电路，所述同轴谐振杆一端与金属腔体的顶面连接实现短路，其另一端通过金属圆盘与频率调节电路连接，构成频率可调的谐振器，所述输入端口及输出端口与同轴谐振杆相连，实现对同轴谐振杆的馈电。
所述同轴谐振杆至少为两个，每个同轴谐振杆的电长度设置为1/8λ-1/4λ之间，其中λ为整个频率调节范围内的最低通带中心频率所对应的波导波长，使得在频率调节过程中，耦合系数随着频率的增加而减小，有利于实现恒定带宽。
本发明中相邻的同轴谐振杆之间设置耦合窗口。
所述频率调节电路由变容二极管、电容及电阻构成，所述变容二极管正极接地，负极与电阻、电容的一端连接，电容的另一端经金属圆盘与同轴谐振杆连接，电阻的另一端经信号线连接直流偏置电压。
所述变容二极管为一个或多个，当变容二极管为多个时，多个变容二极管采用并联连接。
所述同轴谐振杆与频率调节电路的个数相同，且一一对应。
所述同轴谐振杆和频率调节电路的等效电长度为通带中心频率所对应的波导波长的四分之一。
本发明中当同轴谐振杆为两个时，输入端口及输出端口设置为平行，且方向相反；
本发明中当同轴谐振杆大于两个时，同轴谐振杆之间设置交叉耦合。
本发明控制每个同轴谐振杆对应的频率调节电路施加不同的偏置电压，实现非同步调谐技术用于补偿耦合系数在宽调节范围内与恒定带宽所需要的理论值的偏差，实现宽频率范围内的恒定带宽。
本发明的有益效果：
(1)该滤波器具有较宽的频率调谐范围，且在频率调谐过程中，通带的绝对带宽保持恒定，通带的波形也保持不变；
(2)该滤波器在窄带宽(4％左右)的前提下实现较低的插入损耗，由于采用了高Q值的同轴谐振器和砷化镓变容二极管，使谐振器具有很高的品质因数，从而降低了插入损耗；
(3)该滤波器具有很高的通带选择性和带外抑制水平，由于引入了源负载耦合，在通带两边分别产生了传输零点，从而获得了较高的通带选择性和带外抑制水平。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明图1的内部俯视图；
图3是图2中A-A’主视剖面图；
图4是本发明的右视图；
图5是本发明实施例2的传输特性曲线；
图6是本发明实施例2的回波损耗曲线；
图7是本发明实施例3的内部俯视图；
图8是图7中B-B’主视剖面图；
图9是本发明实施例3的右视图；
图10是本发明实施例3的传输特性曲线；
图11是本发明实施例3的回波损耗曲线。
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1
如图1所示，一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，包括金属腔体及位于金属腔体内的同轴谐振杆、频率调节电路、输入端口、输出端口和PCB板，所述PCB板下表面设置金属层，所述金属层与金属腔体底面连接，PCB板嵌入金属腔体底面，所述PCB板上表面设置金属圆盘及频率调节电路，所述同轴谐振杆一端与金属腔体的顶面连接实现短路，另一端通过金属圆盘与频率调节电路连接，构成频率可调的谐振器。所述输入端口、输出端口与同轴谐振杆连接，实现对同轴谐振器的馈电。同轴谐振杆相当于同轴谐振器，同轴谐振杆与频率调节电路的个数相同，且一一对应。
所述同轴谐振杆的数量至少为2个，即谐振器数量至少为两个，同轴谐振杆的电长度设置为在整个调节频率范围内的所对应的波导波长的八分之一和四分之一之间，使得在工作频率调节的过程中，谐振器之间的耦合系数随频率的增大而减小，实现恒定绝对带宽。相邻的同轴谐振杆之间设置耦合窗口12，通过调节耦合窗口12大小或同轴谐振杆的间距获得所需的滤波器带宽。
如图1所示，当同轴谐振杆为两个时，两个同轴谐振杆间隔一定距离设置，输入端口5设置在一个同轴谐振杆，输出端口6设置在另一个同轴谐振杆，输入端口和输出端口的方向设置为平行且相反实现在源负载耦合路径上的信号与主传输路径的信号具有180度相位差，当两条路径信号的幅度相等，则相互抵消，进而在通带两侧产生传输零点，增强选择性。
当同轴谐振杆大于两个时，谐振器之间设置交叉耦合，用于在通带边缘产生额外的传输零点，进一步提高选择性。
所述频率调节电路由变容二极管、电容和电阻构成。根据所需要的调节范围需求，变容二极管的数量为一个或多个，当变容二极管为多个时，采用并联的连接方式。
所述变容二极管正极经金属化孔13接地，其负极与电阻及电容的一端连接，电容的另一端经过金属圆盘与同轴谐振杆连接，所述电阻经信号线连接直流偏置电压，直流偏置电压由外置电压源提供，信号线15经金属腔体1侧壁开孔14连接到外置电压源；所述变容二极管9用于调节滤波器中心频率，随偏置电压大小改变，变容二极管9等效加载长度改变，进而滤波器中心频率随之改变，并联多个变容二极管以增大频率调节范围，所述电容10用于阻隔直流信号经谐振器接地，电阻11用于阻隔射频信号到达直流端。
本实施例中同轴谐振杆和频率调节电路的等效电长度为通带中心频率所对应的波导波长的四分之一，可调节频率范围由同轴谐振杆3长度和电容10值大小共同决定。级间耦合通过开窗实现，为一种电磁混合耦合的方式，同轴谐振杆短路端磁场强度最大，开路端电场强度最大。对于一个二阶的带通滤波器，级间耦合系数k可以表示为：
其中，BW表示滤波器的绝对带宽，f0表示中心频率，M12表示谐振器间归一化的耦合系数。从(1)式可知，若要实现频率调节过程中绝对带宽保持恒定，则耦合系数k随中心频率f0增加而减小，即k的斜率为负值。对于所提出的滤波器结构，耦合系数k可以表示为：
k＝km-ke (2)
其中，km和ke分别表示磁耦合系数和电耦合系数，可由下式求得：
其中，和/>分别表示磁场矢量和电场矢量，v表示体积。沿着谐振杆方向，归一化的电场和磁场可分别表示为：
E(θ)＝sin(θ) (5)
H(θ)＝cos(θ) (6)
其中，θ＝βz表示电长度，β＝2π/λg表示传播常数，λg表示波导波长。因此，谐振器间的耦合系数可以表示为：
其中，θc＝βLc≤π/2，Lc为谐振杆的长度，p为常数。则耦合系数的斜率可以表示为：
由式(1)-(8)可得，若要保持调谐过程中谐振器间耦合系数k随中心频率f0的增大而减小，则需保证Lc＞1/8λg即可。
另外，为了进一步拓展绝对带宽保持恒定的范围，需要结合使用非同步调谐技术，即在频率调节的过程中，控制每个同轴谐振杆对应的频率调节电路所施加的偏置电压不同。对于一个二阶可调滤波器，耦合系数k的提取公式可以表示为：
其中，f1和f2分别是HFSS本征模仿真两个谐振器的工作频率。由式(9)可见，当增大两个谐振器的频率差时，总的耦合系数增大，即不同的偏置电压分别施加在不同的频率调谐电路4上，使得在较低的频率范围内补偿总的耦合系数，使得随频率增大，耦合系数下降得更显著，也更易于在宽调谐范围内保持恒定的绝对带宽。
所述电调同轴滤波器的馈电方式为直插式同轴馈电，通过调整馈电端口5、6高度控制馈电强度。
所述金属腔体1底部开盖板2，用于安装PCB板7，先用螺钉16将反扣的PCB板7拧在盖板2内侧，再将盖板与腔体通过螺钉17拧紧，实现该电调同轴滤波器的安装。
金属腔体与同轴谐振杆均为金属铝结构，表面镀银，变容二极管选择为MACOM公司的MA46H120，PCB板材7为Rogers 4003。
实施例2
如图2-图4所示，本实施例提供一种二阶的具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，电路的整体尺寸为W×L×H，具体是23mm×47.5mm×48mm或0.111×0.054×0.112λg 3，λg为最低频率对应的波导波长。具体尺寸为：w1＝2.5mm，l＝3.5mm，R＝3mm，h1＝h2＝4mm，h3＝39.17mm，h4＝10.5mm，d＝7mm，Gap＝11.4mm；电容值为100pF，电阻值为47kΩ。
图5和图6给出了利用上述参数所设计的滤波器进行仿真和实际测量的结果，其中仿真是使用美国安捷伦公司和ANSYS公司的商业电磁仿真软件ADS和HFSS联合仿真完成的，实际测试是使用网络分析仪5071C和直流电压源SPD3303x来完成的。图5为该滤波器仿真及测试的传输特性曲线，横轴表示频率，纵轴表示传输特性|S21|，图6所示的为该滤波器的反射特性曲线，横轴表示频率，纵轴表示回波损耗|S11|。由图5和图6可见，实测结果与仿真结果吻合度较高，当直流偏置电压为0.6-16.8V时，该滤波器的通带频率可以从698MHz调节到960MHz，具有32％的相对调节范围，在调谐范围内，插入损耗在1.02dB到2.23dB之间，通带波形几乎保持恒定不变，1-dB绝对带宽为35.3±2.7MHz。
本实施例的其他技术特征实施例1相同。
实施例3
如图7-图9所示，本实施例提供一种三阶的具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，其同轴谐振杆为三个，呈等边三角形排列。其电路的整体为W×L×H，尺寸为38.5mm×53mm×46.1mm或0.125×0.091×0.109λg 3，λg为最低频率对应的波导波长。具体尺寸为：w1＝3.3mm，w2＝4.25mm，w3＝15.5mm，l1＝11mm，l2＝6.7mm，l3＝15mm，l4＝23mm，R＝3mm，h1＝h2＝4mm，h3＝37.27mm，h4＝11.69mm，d＝13.4mm；电容值为100pF，电阻值为47kΩ。
图10和图11给出了利用上述参数所设计的滤波器进行仿真和实际测量的结果，其中仿真是使用美国安捷伦公司和ANSYS公司的商业电磁仿真软件ADS和HFSS联合仿真完成的，实际测试是使用网络分析仪5071C和直流电压源SPD3303x来完成的。图10为该滤波器仿真及测试的传输特性曲线，横轴表示频率，纵轴表示传输特性|S21|，图11所示的为该滤波器的反射特性曲线，横轴表示频率，纵轴表示回波损耗|S11|。由图10和图11可见，实测结果与仿真结果吻合度较高，当直流偏置电压为0.7-16V时，该滤波器的通带频率可以从708MHz调节到965MHz，具有31％的相对调节范围，在调谐范围内，插入损耗在1.78dB到4.17dB之间，通带波形几乎保持恒定不变，1-dB绝对带宽为27.5±2.4MHz。
本发明提出了一种采用变容管加载同轴谐振杆结构、结合混合电磁耦合方法与非同步调谐技术，实现绝对带宽恒定的低损耗、高选择性电调同轴滤波器。中心频率在698-960MHz范围内可调，具有32％的宽调谐范围，调谐范围内能够保持通带形状不变、绝对带宽恒定以及较低的插入损耗，并且通过源负载耦合在通带两边引入了传输零点来提高通带的选择性以及带外抑制水平，除此之外，还兼具低成本、小型化和快速调谐等优点。
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 (6)
1.一种具有恒定绝对带宽的高选择性电调同轴滤波器，其特征在于，包括金属腔体及设置在金属腔体内的同轴谐振杆、频率调节电路、输入端口、输出端口和PCB板，所述PCB板的下表面设置金属层与金属腔体底面相连，其上表面设置金属圆盘及频率调节电路，所述同轴谐振杆一端与金属腔体的顶面连接实现短路，其另一端通过金属圆盘与频率调节电路连接，构成频率可调的谐振器，所述输入端口及输出端口与同轴谐振杆相连，实现对同轴谐振杆的馈电；
所述同轴谐振杆至少为两个，每个同轴谐振杆的电长度设置为1/8λ-1/4λ之间，其中λ为整个频率调节范围内的最低通带中心频率所对应的波导波长，使得在频率调节过程中，耦合系数随着频率的增加而减小，有利于实现恒定带宽；
所述频率调节电路由变容二极管、电容及电阻构成，所述变容二极管正极接地，其负极与电阻的一端、电容的一端连接，电容的另一端经金属圆盘与同轴谐振杆连接，电阻的另一端经信号线连接直流偏置电压；
所述同轴谐振杆与频率调节电路的个数相同，且一一对应。
2.根据权利要求1所述的高选择性电调同轴滤波器，其特征在于，相邻的同轴谐振杆之间设置耦合窗口。
3.根据权利要求1所述的高选择性电调同轴滤波器，其特征在于，所述变容二极管为一个或多个，当变容二极管为多个时，多个变容二极管采用并联连接。
4.根据权利要求1所述的高选择性电调同轴滤波器，其特征在于，所述同轴谐振杆和频率调节电路的等效电长度为通带中心频率所对应的波导波长的四分之一。
5.根据权利要求1所述的高选择性电调同轴滤波器，其特征在于，当同轴谐振杆为两个时，输入端口及输出端口设置为平行，且方向相反；
当同轴谐振杆大于两个时，同轴谐振杆之间设置交叉耦合。
6.根据权利要求1所述的高选择性电调同轴滤波器，其特征在于，控制每个同轴谐振杆对应的频率调节电路施加不同的偏置电压，实现非同步调谐技术，用于补偿耦合系数在宽调节范围内与恒定带宽所需要的理论值的偏差，实现宽频率范围内的恒定带宽。
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- 2019-02-12 CN CN201910110641.5A patent/CN109728388B/zh active Active
Patent Citations (3)
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