CN110137646A - 一种中心频率与带宽双调的带通滤波器及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心频率与带宽双调的带通滤波器，所述带通滤波器包括信号输入端、信号输出端、磁路和位于磁路中的两个谐振电路，两谐振电路间设有匹配电路，所述磁路为自屏蔽结构，包括磁轭和中心竖直设置的极柱，所述极柱上水平开设一工作气隙，所述工作气隙将极柱分为上下两部分，且上下两部分相对的一个或两个端面中部，竖直开设有一缺口，所述缺口将其所在的端面分为左右两个半体；极柱上缠绕有连接主线圈，两半体上缠绕有匝数相同、方向相反的副线圈，主线圈连接主电流激励器，用来调节本发明整体频率，两副线圈串联后形成错频线圈，且错频线圈的两个端口引出磁路后，连接一错频电流激励器，用来调节本发明整体带宽。

Description

一种中心频率与带宽双调的带通滤波器及调制方法

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，尤其涉及一种中心频率与带宽双调的带通滤波器及调制方法。

背景技术

当前在微波频段综合电子设备的一体化发展趋势，需要前端预选器满足多个工作任务的共用，即滤波器单元不仅需要实现中心频率f₀宽范围调谐，同时带宽BW_3dB也要具备一定范围的调节能力，即双调f₀和BW_3dB。

在微波频段，开关滤波器组应用开关与点频滤波器等元件堆积可以实现双调，f₀覆盖越宽，堆积数量越多，若进一步实现BW_3dB可变，则元件堆积数量还将数倍增加。其重量、功耗、插损、可靠性等指标将大幅降低，因此实用化差，只能满足于较窄频带范围的应用。

但当前磁调谐滤波器没有双调技术公布，本双调技术属于填补空白。现有技术中，磁调谐滤波器在满足谐振条件前提下，在微波、毫米波频段内f₀可实现多个倍频程的连续调谐，具有其它类型滤波器不具备的超宽频带工作的特点，但是当前磁调谐滤波器不具备BW_3dB调谐能力。

具体可参见说明书附图1，附现有技术中磁调谐滤波器正交环球耦合电路模型图，在满足谐振条件前提下，我们利用外磁场控制单晶小球的f₀，当改变外磁场时，f₀将跟随变化，实现f₀可调，在BW_3dB表达式中，影响BW_3dB大小的是单晶小球、耦合环尺寸参数与单晶小球的磁参数，而两者均是实质化的元件，参数变化困难，其中小球磁参数会受温度因数影响，将在一定范围内变化。因此磁调谐滤波器BW_3dB通过设计以及生产调试完成后，会因为磁调谐单晶小球磁参数的温度特性使其在一定范围内变化，但是该变化不具备实用性。

另外，开关滤波器组的工作原理参见图2：开关滤波器组主要由单刀多掷开关（或组合）、点频滤波器、控制电路等构成，原理框图如图2所示。可以看出其原理方案是点频滤波器堆积，堆积数量将随着工作频率范围的增加而增加，若进一步实现全频段工作频率范围内的BW_3dB可变，堆积数量又将数倍增加。其体积、重量、可靠性等指标将受到严重影响，因此该方案很难满足当前电子设备的小型化、轻量化、高可靠等要求。

所以综上，现有技术中存在以下缺点：

（1）磁调谐滤波器在微波、毫米波等频段只能f₀可调，其他类型没有实用化的双调技术方案。

（2）开关滤波器双调方案不适用于当前电子设备的小型化、轻量化、高可靠等要求。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，在与传统磁调谐滤波器体积、重量一致的情况下实现滤波器中心频率与带宽的双调的一种中心频率与带宽双调的带通滤波器及调制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种中心频率与带宽双调的带通滤波器，所述带通滤波器包括信号输入端、信号输出端、磁路和位于磁路中的两个谐振电路，所述谐振电路为由多级小球谐振子耦合而成，且两谐振电路参数相同且对称设置，串联后的整体两端分别连接信号输入端和信号输出端，两谐振电路间设有匹配电路；所述匹配电路用于两个谐振电路间的驻波匹配；

所述磁路为自屏蔽结构，包括磁轭和中心竖直设置的极柱，所述极柱上水平开设一工作气隙，所述工作气隙将极柱分为上下两部分，且上下两部分相对的一个或两个端面中部，竖直开设有一缺口，所述缺口将其所在的端面分为左右两个半体；

极柱上缠绕有主线圈，且主线圈的两个端口引出磁路后，连接一主电流激励器；

两半体上缠绕有匝数相同、方向相反的副线圈，两副线圈串联后形成错频线圈，且错频线圈的两个端口引出磁路后，连接一错频电流激励器；

所述缺口还将工作气隙分为左右两个分区，两谐振电路分别对称设置在两个分区中。

作为优选：所述匹配电路为串联的衰减器和放大器结构，所述衰减器用于两个谐振电路频率错位时驻波匹配，放大器用于减小插损。

一种中心频率与带宽双调的带通滤波器的调制方法，包括以下步骤：

（1）设计磁路、谐振电路、设计谐振电路与匹配电路一体集成，构建一中心频率与带宽双调的带通滤波器；

（2）调整频率或带宽；

调整频率为：调整主电流激励器，改变其输出电流，从而同时调整两个分区的磁场，此时中心频率与带宽双调的带通滤波器的频率随主电流激励器输出电流变化而变化；

调整带宽为：调整错频电流激励器，改变其输出电流，使两个分区获得大小相同、方向相反的磁场，此时中心频率与带宽双调的带通滤波器的带宽随错频电流激励器输出电流变化而变化。

其中，本发明的谐振电路与现有技术中磁调谐带通滤波器结构相同，两两谐振电路参数相同且对称设置，目的是使两个谐振电路在相同磁场下谐振频率相同；

本发明极柱结构设计特殊，主要是在极柱上开设缺口，所述缺口将工作气隙分为两个分区，同时能在极柱的端面形成半体，用来缠绕副线圈，极柱用来缠绕主线圈，设计的时候，我们在极柱上缠绕主线圈，在两个分区反方向缠绕匝数相同、方向相反的副线圈，又由于所述缺口还将工作气隙分为两个分区，两谐振电路分别对称设置在两个分区中，所以，主线圈对应的是两个谐振电路，而副线圈分别对应一个谐振电路，且副线圈产生的磁场方向对两个谐振电路是相反的。

调频的原理为：我们控制主电流激励器，改变输出电流时，实际上，能同时调整两个分区的磁场，从而同步调整两个谐振电路的中心频率f₀，也就是调整整体的中心频率f₀。

调带宽的原理为：而当我们控制错频电流激励器，改变输出电流时，两个分区能获得大小相同方向相反的磁场激励。如图7所示，当错频电流激励器电流输入为0时，两个谐振电路中心频率重合，得到最大带宽；当错频电流激励器电流输入使两个谐振电路中心频率错位时，带宽变窄；当两个谐振电路错位至通带边缘时，也就是一个右边缘，一个左边缘时，获得最小带宽。

又由于两个谐振电路采用相同参数设计，具有相同带宽，又错频电流激励器磁场激励大小相同，方向相反，从而带宽变化后，通带的中心频率f₀不会发生改变，可实现单独调整带宽的目的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明建立了一种新的中心频率与带宽双调的带通滤波器，它在带通滤波器的基础上进行改进，不增加过多的旁路，所以其相对于开关滤波器组在体积、重量、调谐连续性、可靠性方面等方面有综合优势。

（2）磁调谐双调滤波器一体集成两组谐振电路与匹配电路，相对于f ₀ 单调的通用磁调谐滤波器有一致的体积、重量、功耗等指标，效果更好。

（3）通过磁路磁极的分区设计，主线圈、错频线圈的设计的，使得本发明在进行BW _3dB 调谐时f ₀ 保持不变，可简化激励器电路与控制程序。

（4）采用两个电流激励器且独立控制，f ₀ 与BW _3dB 独立置频与调谐，不会相互影响。并且BW_3dB可实现连续变化，控制简单。

附图说明

图1为现有技术中磁调谐滤波器正交环球耦合电路模型图；

图2为现有技术中开关滤波器组原理框图；

图3为本发明双调谐振电路设计原理图；

图4为本发明磁路设计原理图；

图5为图4缠绕线圈和安装谐振电路后的示意图；

图6为本发明电路原理图；

图7为本发明调整错频电流激励器至两个谐振电路的中心频率f₀完全重合时的带宽示意图；

图8为本发明调整错频电流激励器至两个谐振电路的中心频率f₀错开时的带宽示意图。

图中：1、耦合环；2、单晶小球；3、信号输入端；4、信号输出端；5、磁轭；6、极柱；7、缺口；8、谐振电路；9、主线圈；10、错频线圈；11、半体；12、工作气隙。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，图1为磁调谐滤波器正交环球耦合电路模型，包括单晶小球2和耦合环1。在满足谐振条件前提下，我们利用外磁场控制单晶小球2的f₀，当改变外磁场时，f₀将跟随变化，实现f₀可调，在BW_3dB表达式中，影响BW_3dB大小的是单晶小球2、耦合环1尺寸参数与单晶小球2的磁参数，而两者均是实质化的元件，参数变化困难，其中小球磁参数会受温度因数影响，将在一定范围内变化，但是该变化不具备实用性。

实施例2：参见图2，可以看出其原理方案是点频滤波器堆积，堆积数量将随着工作频率范围的增加而增加，若进一步实现全频段工作频率范围内的BW_3dB可变，堆积数量又将数倍增加。其体积、重量、可靠性等指标将受到严重影响，因此该方案很难满足当前电子设备的小型化、轻量化、高可靠等要求。

实施例3：参见图3到图8，一种中心频率与带宽双调的带通滤波器，所述带通滤波器包括信号输入端3、信号输出端4、磁路和位于磁路中的两个谐振电路8，所述谐振电路8为由多级小球谐振子耦合而成，且两谐振电路8参数相同且对称设置，串联后的整体两端分别连接信号输入端3和信号输出端4，两谐振电路8间设有匹配电路；所述匹配电路用于两个谐振电路8间的驻波匹配；

所述磁路为自屏蔽结构，包括磁轭5和中心竖直设置的极柱6，所述极柱6上水平开设一工作气隙12，所述工作气隙12将极柱6分为上下两部分，且上下两部分相对的一个或两个端面中部，竖直开设有一缺口7，所述缺口7将其所在的端面分为左右两个半体11；

极柱6上缠绕有主线圈9，且主线圈9的两个端口引出磁路后，连接一主电流激励器；

两半体11上缠绕有匝数相同、方向相反的副线圈，两副线圈串联后形成错频线圈10，且错频线圈10的两个端口引出磁路后，连接一错频电流激励器；

所述缺口7还将工作气隙12分为左右两个分区，两谐振电路8分别对称设置在两个分区中。

本实施例中，所述匹配电路为串联的衰减器和放大器结构，所述衰减器用于两个谐振电路8频率错位时驻波匹配，放大器用于减小插损。

关于半体11的设计，缺口7根据实际需要可以开设在极柱6上下两部分相对的一个或两个端面中部。此处不限定。

一种中心频率与带宽双调的带通滤波器的调制方法，包括以下步骤：

（1）设计磁路、谐振电路8、设计谐振电路8与匹配电路一体集成，构建一中心频率与带宽双调的带通滤波器；

（2）调整频率或带宽；

调整频率为：调整主电流激励器，改变其输出电流，从而同时调整两个分区的磁场，此时中心频率与带宽双调的带通滤波器的频率随主电流激励器输出电流变化而变化；

调整带宽为：调整错频电流激励器，改变其输出电流，使两个分区获得大小相同、方向相反的磁场，此时中心频率与带宽双调的带通滤波器的带宽随错频电流激励器输出电流变化而变化。

调整频率的原理是：控制主电流激励器，能同时调整两个分区的磁场，从而同步调整两个谐振电路8的中心频率f₀，也就是调整整体的中心频率f₀，这样就达到了单独调频的目的。

调整带宽的原理是：控制错频电流激励器，两个分区能获得大小相同方向相反的磁场激励。如图7所示，当错频电流激励器电流输入为0时，两个谐振电路8中心频率重合，得到最大带宽；当我们增大电流，使两个谐振电路8中心频率错位时，带宽变窄；参见图8，当两个谐振电路8错位至通带边缘时，也就是图8所示的一个右边缘，一个左边缘时，获得最小带宽。

又由于本发明中，两个谐振电路8采用相同参数设计，具有相同带宽，又错频电流激励器磁场激励大小相同，方向相反，从而带宽变化后，通带的中心频率f₀不会发生改变，可实现单独调整带宽的目的。

按上述结制作试验样品，双调滤波器主要指标实现如下：

谐振电路8级数：6级*2；

环球比：2：1；

单晶小球2：1750Gs，φ0.35mm；

主线圈9匝数：800匝；

副线圈匝数：30匝*2；

中心频率（f ₀ ）调谐范围：4GHz～8GHz；

带宽（BW _3dB ）调谐范围：30MHz～80MHz；

（注：在4GHz～8GHz工作频率范围内任意中心频率点实现带宽在30MHz～80MHz之间连续调谐。）

插入损耗：≤3dB；

波纹与假响应：≤2.5dB；

矩形系数（3dB：40dB）：1.4：1/@80MHz带宽；4：1/@30MHz带宽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种中心频率与带宽双调的带通滤波器，所述带通滤波器包括信号输入端、信号输出端、磁路和位于磁路中的两个谐振电路，其特征在于：所述谐振电路为由多级小球谐振子耦合而成，且两谐振电路参数相同且对称设置，串联后的整体两端分别连接信号输入端和信号输出端，两谐振电路间设有匹配电路；所述匹配电路用于两个谐振电路间的驻波匹配；

所述磁路为自屏蔽结构，包括磁轭和中心竖直设置的极柱，所述极柱上水平开设一工作气隙，所述工作气隙将极柱分为上下两部分，且上下两部分相对的一个或两个端面中部，竖直开设有一缺口，所述缺口将其所在的端面分为左右两个半体；

极柱上缠绕有主线圈，且主线圈的两个端口引出磁路后，连接一主电流激励器；

两半体上缠绕有匝数相同、方向相反的副线圈，两副线圈串联后形成错频线圈，且错频线圈的两个端口引出磁路后，连接一错频电流激励器；

所述缺口还将工作气隙分为左右两个分区，两谐振电路分别对称设置在两个分区中。

2.根据权利要求1所述的一种中心频率与带宽双调的带通滤波器，其特征在于：所述匹配电路为串联的衰减器和放大器结构，所述衰减器用于两个谐振电路频率错位时驻波匹配，放大器用于减小插损。

3.根据权利要求1所述的一种中心频率与带宽双调的带通滤波器的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)设计磁路、谐振电路、设计谐振电路与匹配电路一体集成，构建一中心频率与带宽双调的带通滤波器；

(2)调整频率或带宽；

调整频率为：调整主电流激励器，改变其输出电流，从而同时调整两个分区的磁场，此时中心频率与带宽双调的带通滤波器的频率随主电流激励器输出电流变化而变化；

调整带宽为：调整错频电流激励器，改变其输出电流，使两个分区获得大小相同、方向相反的磁场，此时中心频率与带宽双调的带通滤波器的带宽随错频电流激励器输出电流变化而变化。