CN109980327B - 一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，包括介质基板和印刷在其上的两根水平馈线、双模谐振器和两个变容管；两根水平馈线相互平行；双模谐振器包括两个耦合部、两个折叠部、竖直部和一根短截线；两个耦合部平行且对称布设在两根水平馈线的外侧，耦合部与折叠部连接，折叠部尾端通过变容管与竖直部连接；短截线与水平轴相重合，短截线与竖直部连接，短截线的尾端设有金属通孔。本发明具有三个零点，分别位于通带两边以及上阻带，从而具有高选择性。由于微弱的源与负载耦合对通带性能几乎没有影响，所以通带内的性能主要被两个极点的差值以及外部品质因数决定，故带宽恒定。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信系统，特别是一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器。
背景技术
电调谐微带通带滤波器因其体积小，重量轻，成本低而受到越来越多的关注。而滤波器是通信系统设备必不可少的器件。此外，随着无线通信系统的发展，具有恒定带宽的可调谐滤波器更具吸引力。生成多个传输零点是使群边带变得陡峭并增强带外抑制的良好解决方案，这可以改善两个可调谐通道之间的隔离。产生零点的传统方法是交叉耦合和源与负载耦合。然而，当使用交叉耦合来产生零点时，需要三个或更多个谐振器。这不仅会增加电路尺寸和可调谐滤波器的损耗，而且会大大增加设计复杂性。特别是对于带宽恒定的可调滤波器，在可调频率范围内需要满足更多耦合系数的理想情况，由于谐振器的电磁场分布随谐振器之间的耦合效应而变化，使得其难以实现。
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，而提供一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，该具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器结构紧凑，具有三个自适应性的传输零点，从而实现高选择性且带宽恒定。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，包括介质基板和印刷在介质基板上的两根水平馈线、双模谐振器和两个变容管。
两根水平馈线相互平行，且关于水平轴对称布设；两根水平馈线的外侧端各连接一根垂直馈线。
双模谐振器关于水平轴对称，包括两个耦合部、两个折叠部、竖直部和一根短截线。
两个耦合部对称布设在两根水平馈线的外侧，且相互平行；两个耦合部邻近垂直馈线的首端开口，背离垂直馈线的耦合部尾端分别与对应的折叠部的首端相连接，两个折叠部的尾端分别通过一个变容管与竖直部两端相连接。
短截线与水平轴相重合，短截线的首端与竖直部的外侧面中部相连接，短截线的尾端设置有金属通孔。
通过调整两根水平馈线的长度以及间距，从而能在上边带和上阻带分别产生一个传输零点，实现高选择性并加深带外抑制。
通过调整双模谐振器中耦合部的长度以及间距，进而实现上阻带处传输零点位置的调节。
通过调整变容管的加载位置以及短截线的长度，进而实现两个极点差值的调节。
通过调整双模谐振器中耦合部的长度以及间距，能实现Q值的调节变化，从而实现恒定带宽。
折叠部的形状为凹形或弓形。
水平馈线长度L1为14.1mm，两根水平馈线的耦合间距S2为0.8mm；耦合部与水平馈线之间的耦合间距S1为0.1mm，耦合部长度L2为14.9mm；短截线长度L5为1.9mm，短截线宽度W4为0.8mm，金属通孔的半径为0.2mm，短截线与变容管之间的间距L4为2.35mm。
变容管为SMV1281变容管，变容管的正极均与竖直部相连接。
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、通过在源与负载（S-L）之间引入频变耦合，可以在上通带边缘附近（简称上边带）、下通带边缘附近（简称下边带）和上阻带中产生三个自适应的传输零点（TZs），而不用增加谐振器的数量。上边带处产生的传输零点，实现了高选择性。另外，上边带和下边带处因产生传输零点（也称零点），将使得群边带变得陡峭，也加深了上阻带。
2、由于微弱的源与负载频变耦合对通带性能几乎没有影响，所以通带内的性能主要被两个极点的差值Δf以及外部品质因数Q e 值决定，从而实现了恒定带宽。另外，理想的Δf可以通过调节变容管的位置和短截线的大小来实现，而Q e 可以通过调整谐振器和馈线之间的耦合区域的大小来获得。
3、通过改变谐振器的长度，中心频率可以被改变，可调的频率范围也会相应改变。并且，将谐振器设计为折叠的形式，提高了结构的紧凑性。
附图说明
图1显示了介质基板的结构示意图。
图2显示了本发明一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器的结构示意图。
图3显示了有无源与负载耦合的对比示意图。
图4显示了本发明外部品质因数的结果示意图。
图5显示了本发明奇偶模频率随变容管电容变化的示意图。
图6显示了本发明散射参数仿真和测试结果。
其中有：10.水平馈线；11.垂直馈线；
20.双模谐振器；21.S-L耦合部；22.折叠部；23.竖直部；24.断截线；241.金属通孔；
30.变容管。
另外，图1中：C1：介质基板；C2：上金属层；C3：下金属层。
图2中：L1：水平馈线长度；S1：耦合部与水平馈线之间的耦合间距；W1：垂直馈线宽度；L2：耦合部长度；S2：两根水平馈线的耦合间距；W2：水平馈线宽度；W3：耦合部宽度；L3：折叠部长度；L4：短截线与变容管之间的间距；L5：短截线长度；W5：短截线宽度。
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。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明以工作在可调中心频率为1.15-1.65GHz的无线通信系统系统为例说明，其3dB绝对带宽为120±5MHz。
如图2所示，一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，包括介质基板和印刷在介质基板上的两根水平馈线10、双模谐振器20和两个变容管30。
如图1所示，介质基板C1的上表面涂覆上金属层C2，下表面涂覆下金属层C3。
本发明中的介质基板C1优选采用相对介电常数为3.38，厚度为0.813mm的RogersRO4003C；也可以采用其他规格的微波板作为介质基板。
两根水平馈线相互平行，且关于水平轴（图2中虚线轴）对称布设；两根水平馈线的外侧端各连接一根垂直馈线11，优选采用SMA头焊接。水平馈线的设置，则是用于实现频变的S-L耦合。
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和port2。垂直馈线的特征阻抗优选为50欧姆，用于馈入能量。
双模谐振器关于水平轴对称，包括两个耦合部21、两个折叠部22、竖直部23和一根短截线24。
两个耦合部对称布设在两根水平馈线的外侧，且相互平行；两个耦合部邻近垂直馈线的首端开口，背离垂直馈线的耦合部尾端分别与对应的折叠部的首端相连接，两个折叠部的尾端分别通过一个变容管30与竖直部两端相连接。
变容管优选为SMV1281变容管，其电容值在0-13.3pF之间变化，变容管的正极均与竖直部相连接。
短截线与水平轴相重合，短截线的首端与竖直部的外侧面中部相连接，短截线的尾端设置有金属通孔241。短截线的设置，使得偶模频率小于奇模频率，由于双模谐振器本身的特点，在上边带也实现了一个传输零点，实现了高选择性。
折叠部的形状优选为凹形或弓形等。
通过调整两根水平馈线的长度以及间距，从而能在上边带和上阻带分别产生一个传输零点，实现高选择性并加深带外抑制。
通过调整双模谐振器中耦合部的长度以及间距，进而实现上阻带处传输零点位置的调节。
通过调整变容管的加载位置以及短截线的长度，进而实现两个极点差值的调节。
通过调整双模谐振器中耦合部的长度以及间距，能实现Q值的调节变化，从而实现恒定带宽。
本实施例中，可调双模带通滤波器的具体尺寸，优选设置如下：
水平馈线长度L1为14.1mm，两根水平馈线的耦合间距S2为0.8mm；耦合部与水平馈线之间的耦合间距S1为0.1mm，耦合部长度L2为14.9mm；短截线长度L5为1.9mm，短截线宽度W4为0.8mm，金属通孔的半径为0.2mm，短截线与变容管之间的间距L4为2.35mm。余下谐振器的长度（L3还是2 L3）为25.9mm，并设计成折叠型的形式。
图3给出了有无频变S-L耦合的综合频率响应，使用的软件是matlab。由于双模谐振器的固有特性，可以在下边带边缘附近产生TZ1。而通过频变的S-L耦合，可以产生靠近上通带边缘和上阻带的两个TZs（TZ2，TZ3）。可以看出，电磁能量的流动路径分为两个部分：源端口-双模谐振器-输出端口、源端口-输出端口。微弱的频变S-L耦合系数对通带中的性能几乎没有影响。因此，可以理想的Q e 和两极点差值Δf来实现可调谐滤波器的恒定带宽。对于绝对带宽不变的可调谐滤波器，期望理想的Q e 与频率成线性关系，并且Δf是恒定的。理想的Q e 可以通过合理的调节谐振器和馈线的耦合区域来得到；恒定的Δf可以调整变容管的加载位置，以及中心加载短接线的长度来得到。图4和图5分别给出了Q e 和奇偶模频率的结果示意图，其中Q e 基本满足理想情况，奇偶模频率之差也基本不变，从而实现了恒定带宽不变。
如图6所示，本发明可调滤波器的散射参数仿真与实测结果，仿真采用的是HFSS软件，测试采用的是Agilent网络分析仪N5230C。其中分别给出了在加载不同反向电压时，也就是不同容值时的结果。所述可调滤波器中心频率在1.15-1.65GHz之间可调，其3dB绝对带宽为120M±5MHz；在通带边缘和上阻带附近产生三个自适应TZs。该滤波器具有高选择性、带内绝对带宽不变和结构紧凑等特点。从图中可以看到仿真和实测结果吻合良好。
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 (9)
1.一种具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：包括介质基板和印刷在介质基板上的两根水平馈线、双模谐振器和两个变容管；
两根水平馈线相互平行，且关于水平轴对称布设；两根水平馈线的外侧端各连接一根垂直馈线；
双模谐振器关于水平轴对称，包括两个耦合部、两个折叠部、竖直部和一根短截线；
两个耦合部对称布设在两根水平馈线的外侧，且相互平行；两个耦合部的首端邻近垂直馈线且开口设置，背离垂直馈线的耦合部尾端分别与对应的折叠部的首端相连接，两个折叠部的尾端分别通过一个变容管与竖直部两端相连接；
短截线与水平轴相重合，短截线的首端与竖直部的外侧面中部相连接，短截线的尾端设置有金属通孔。
2.根据权利要求1所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：通过调整两根水平馈线的长度以及间距，从而能在上边带和上阻带分别产生一个传输零点，实现高选择性并加深带外抑制。
3.根据权利要求2所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：通过调整双模谐振器中耦合部的长度以及间距，进而实现上阻带处传输零点位置的调节。
4.根据权利要求1所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：通过调整变容管的加载位置以及短截线的长度，进而实现两个极点差值的调节。
5.根据权利要求4所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：通过调整双模谐振器中耦合部的长度以及间距，能实现Q值的调节变化，从而实现恒定带宽。
6.根据权利要求1所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：折叠部的形状为凹形或弓形。
7.根据权利要求3或5所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：水平馈线长度L1为14.1mm，两根水平馈线的耦合间距S2为0.8mm；耦合部与水平馈线之间的耦合间距S1为0.1mm，耦合部长度L2为14.9mm；短截线长度L5为1.9mm，短截线宽度W4为0.8mm，金属通孔的半径为0.2mm，短截线与变容管之间的间距L4为2.35mm。
8.根据权利要求1所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：变容管为SMV1281变容管，变容管的正极均与竖直部相连接。
9.根据权利要求1所述的具有高选择性和恒定带宽的可调双模带通滤波器，其特征在于：垂直馈线的特征阻抗为50欧姆。
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