CN109755699B - 基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，包括：金属腔体、介质谐振器、四根馈电探针，以及两个差分输入端口和两个差分输出端口；馈电探针的末端通过开关电路接地，开关电路包括与馈电探针的末端依次串联连接的隔直电容和二极管，二极管的阴极接地，二极管的阳极通过射频扼流圈电感连接一个用于控制二极管通断的偏置电压。通过控制馈电探针末端的二极管导通/截止，从而控制差模通带处于开/关状态。在开状态下，滤波器具有低损耗的特点，在关状态下，具有较高的隔离度。同时，在这两种状态下，共模抑制都大于20dB。本发明所提出的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器具有优异的性能，将在当前和未来的通信系统中具有重要的应用价值。

Description

基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器。
背景技术
可开关滤波器，即把带通滤波器和开关两个功能集成到一个电路，体现了小型化的特点而被广泛用于射频系统中。在过去几年，已经开发了许多可开关滤波器。例如，用微带技术实现的具有准椭圆相应的可开关带通滤波器、利用低温共烧陶瓷技术，基于耦合控制实现的紧凑的可开关滤波器。但是，这些可开关滤波器通带内损耗大、选择性差，不能被广泛使用。为了克服这些缺点，介质谐振器因为具有高的品质因数和优良的温度稳定性特点，而被广泛用于可开关单端滤波器。但是，由于采用了单模谐振器，它们的电路尺寸较大。
现在，差分技术由于其具有对噪声和串扰的高抗干扰能力而被广泛采用于射频电路和系统中。在这种趋势下，国内外研究人员设计了许多低损耗、高选择性的差分介质谐振器滤波器，但融合了开关功能的差分滤波器未见报道。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，通过控制馈电探针末端处于开路/短路状态，而调节外部品质因数的大小，使得通带可开关。
为了达到上述目的，本发明提出的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，包括：金属腔体、设置于金属腔体底板上的介质谐振器，设置于金属腔体内的四根馈电探针，以及对称地分别设于金属腔体四个侧壁的与馈电探针一一对应连接的两个差分输入端口和两个差分输出端口；所述馈电探针的末端通过开关电路接地，所述开关电路包括与馈电探针的末端依次串联连接的隔直电容和二极管，所述二极管的阴极接地，二极管的阳极通过射频扼流圈电感连接一个用于控制二极管通断的偏置电压。
本发明还具有进一步的特征：
1、所述金属腔体底板上设置有介质基板，所述开关电路设置于该介质基板的上表面，二极管的阴极通过贯通该介质基板的金属通孔与金属腔体底板电接触，从而实现二极管的阴极接地，所述介质基板的上表面和下表面均设有金属层，所述金属通孔两端分别与上表面金属层、下表面金属层相连。
2、所述开关电路还包括用于加载所述偏置电压的焊盘，所述焊盘与射频扼流圈电感远离二极管阳极的一端连接。
3、所述介质谐振器底面直接接触腔体底板，谐振器的主模为一对简并模，该谐振器为双模介质谐振器，具有位于对角的两个相同的切角用于分离简并模，并且这两个模式能够被差分激励形成差分通带。
本发明在馈电探针末端加载PIN二极管，通过控制PIN二极管的导通或截止，而实现馈电探针处于短路或开路状态，从而打开或关闭差模通带。在开状态下，滤波器具有低损耗的特点，在关状态下，具有较高的隔离度。在这两种状态下，共模抑制几乎保持不变，并且在差模通带中始终大于20dB。在滤波器开的状态下，测试的插入损耗结果为1.2dB，在滤波器关的状态下，隔离大于45dB。
本发明所提出的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器具有优异的性能：在开状态下有低的损耗，在关状态下有高的隔离度，较小的尺寸。因此，此滤波器将在当前和未来的通信系统中具有重要的应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明开关差分滤波器的立体图。
图2是本发明开关差分滤波器的侧视图。
图3是开关电路通路状态下的本实施例滤波器的测试和仿真结果。
图4是开关电路关闭状态下的本实施例滤波器的测试和仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，包括金属腔体1、分别通过螺钉72和螺钉71固定于金属腔体1底板上的介质谐振器2（双模介质谐振器，介电常数为38，损耗角为2.5×10-4）、介质基板5（介电常数为2.65，厚度为3mm），固定在金属腔体1内的四根馈电探针4，以及对称地分别设于金属腔体1四个侧壁的与馈电探针一一对应连接的两个差分输入端口31、32和两个差分输出端口33、34。馈电探针呈L型，其水平部分与金属腔体底板平行，竖直部分与金属腔体底板垂直。
本例中，谐振器的宽度为a，高度为h，直接置于金属腔体的底部，底面等效为电壁。介质谐振器2具有位于对角的两个对称的切角，它拥有一对工作在相同频率下的简并模（TEx 11δ和TEy 11δ模）。对介质谐振器进行切角，能有效的分开这两个模式。切角越大，频率分开的越大。介质谐振器2固定有4个中心对称的定位块9，通过螺钉72将定位块9固定在金属腔体1底板上，实现介质谐振器2与金属腔体1底板之间的固定。
介质基板5的中部具有容纳介质谐振器2的孔，孔的侧壁与介质谐振器2之间形成间隙，间隙范围大致为0.5mm。介质基板5的上表面和下表两均设有金属层，介质基板5内设置有金属通孔6，金属通孔6两端分别与上表面金属层、下表面金属层相连。带金属通孔的双面印刷金属层的介质基板，可预先进行生产，并在介质基板上预留用于安装孔（通过螺钉71与金属腔体底板固定）。
四根馈电探针4具有相同的尺寸，用于差分输入和差分输出。每根馈电探针4的末端通过设置于介质基板5上表面的开关电路接地。具体的，该开关电路包括PIN二极管D（型号为Skyworks公司的SMP 1302-085LF），一个射频扼流圈电感L（L=56nH）和一个隔直电容C（C=5pF）。隔直电容C和PIN二极管D串联连接于馈电探针4的末端，PIN二极管D的阳极通过射频扼流圈电感L连接一个用于控制PIN二极管D通断的偏置电压。射频扼流圈电感L远离PIN二极管D阳极的一端连接焊盘8（可预先制于介质基板5上表面），偏置电压通过导线加载在该焊盘8上；PIN二极管D的阴极则与介质基板5上表面的金属层连接，从而实现PIN二极管D的阴极接地。通过控制PIN二极管的直流偏置电压，使二极管导通或截止，从而使馈电探针末端短路或开路，整个滤波器呈开状态或关状态。
本实施例设计的开关滤波器的尺寸如下：a = 25 mm, h = 20 mm, s = 3.5 mm, A = 50 mm, H = 28 mm, l 1 = 8 mm, l 2= 10 mm , l p = 13 mm。
当四个PIN二极管导通，馈电探针末端短路。此时，滤波器有差模通带（开状态），TEx 11δ和TEy 11δ模式能被两对馈电探针差分激励。馈电探针距离介质谐振器的距离（l 1）和馈电探针的高度（l p）决定了输入输出端的耦合（外部品质因数Q e ）。本发明中，差模通带为切比雪夫响应，中心频率为1.5GHz，0.07dB相对纹波带宽为0.75%。低通原型的集总参数值为：g 0= 1， g 1 = 0.7609，g 2 = 0.5901。因此，耦合系数k和外部品质因数Q e 分别为0.11和101.1。
当四个PIN二极管截止时，馈电探针末端开路。此时，外部品质因数急剧下降，没有差模通带，处于关状态。
图3为滤波器在开状态下的S参数响应曲线，其中实线为仿真结果，虚线为测试结果。在开状态下，即二极管导通时，具有差模通带，通带的中心频率为1.5GHz，通带内的插入损耗（Sdd11）为1.2dB，回波损耗（Sdd21）优于12dB。当二极管截止时，滤波器处于关状态，如图4所示，没有差模通带，隔离度为45dB。并且，共模抑制（Scc21）在两种状态下几乎相同且都优于20dB，是因为介质谐振器和腔体的共模响应距离差模通带较远。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，包括：金属腔体、设置于金属腔体底板上的介质谐振器，设置于金属腔体内的四根馈电探针，以及对称地分别设于金属腔体四个侧壁的与馈电探针一一对应连接的两个差分输入端口和两个差分输出端口；所述馈电探针的末端通过开关电路接地，所述开关电路包括与馈电探针的末端依次串联连接的隔直电容和二极管，所述二极管的阴极接地，二极管的阳极通过射频扼流圈电感连接一个用于控制二极管通断的偏置电压；所述金属腔体底板上设置有介质基板，所述开关电路设置于该介质基板的上表面，二极管的阴极通过贯通该介质基板的金属通孔与金属腔体底板电接触，从而实现二极管的阴极接地，所述介质基板的上表面和下表面均设有金属层，所述金属通孔两端分别与上表面金属层、下表面金属层相连；所述介质谐振器底面直接接触腔体底板，谐振器的主模为一对简并模，该谐振器为双模介质谐振器，具有位于对角的两个相同的切角用于分离简并模，并且这两个模式能够被差分激励形成差分通带；所述开关电路中的二极管为PIN二极管。
2.根据权利要求1所述的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，其特征在于：所述开关电路还包括用于加载所述偏置电压的焊盘，所述焊盘与射频扼流圈电感远离二极管阳极的一端连接。
3.根据权利要求1所述的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，其特征在于：介质基板的中部具有容纳介质谐振器的孔，所述孔的侧壁与介质谐振器之间形成间隙。
4.根据权利要求1所述的开关差分滤波器，其特征在于：所述介质基板通过螺钉固定于金属腔体底板上。
5.根据权利要求1所述的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，其特征在于：所述介质谐振器固定有数个定位块，通过螺钉将所述定位块固定在金属腔体底板上，实现介质谐振器与金属腔体底板之间的固定。
6.根据权利要求1所述的基于双模介质谐振器的可开关差分滤波器，其特征在于：馈电探针呈L型，其水平部分与金属腔体底板平行，竖直部分与金属腔体底板垂直。
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