CN110176659B - 二进制式的带宽可重构的带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了二进制式的带宽可重构的带通滤波器，涉及带状线滤波器，属于基本电气元件的技术领域。该滤波器设置于一块介质基板上，主要由输入传输线、输出传输线、N个四分之一波长谐振器以及端接可切换的金属带条组成的N+1个平行耦合结构组成。每个平行耦合结构的中央都设置了依序排列的M个端接可切换的金属带条，每个端接可切换的金属带条的两端都分别接一个PIN二极管开关，并通过过孔接地，可通过竖直焊接于带条中心的电阻对PIN二极管施加偏置电压，实现金属带条两端在开路和短路两种状态之间切换。通过M个控制电压可实现2M组耦合系数，从而实现2M种滤波器带宽，即实现二进制式带宽可重构的带通滤波器。

Description

二进制式的带宽可重构的带通滤波器
技术领域
本发明公开了二进制式的带宽可重构的带通滤波器，涉及带状线滤波器，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
目前，广泛使用的滤波器有着不可调、功能固定的特点，因此，需大量的不同带宽指标的滤波器构成无线通信系统，这增加了无线通信系统的复杂性和体积。
随着无线通信技术的快速发展，频谱资源越来越稀缺，为了充分利用十分有限的频谱资源，无线通信设备广泛采用了跳频、扩频、频率动态分配等技术，并且出现了支持多种通信制式的可重构通信系统，这些技术与系统不可或缺的器件——可重构滤波器近年来越来越受到重视。申请号为201410560726.0的中国专利公开了一种带宽可重构带通滤波器，该带通滤波器通过在输入线、谐振器、输出线之间添加N组开关二极管实现N种带宽可调，但由于开关二极管直接与谐振器相连，降低了谐振器的Q值，可见，该申请提出的带宽可重构方案不适于窄带滤波器且插入损耗较大。
本发明旨在提出一类二进制式的带宽可重构的带通滤波器，可通过M个控制电压获得2M种不同的滤波器带宽，有助于简化无线通信系统并减小体积。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了二进制式的带宽可重构的带通滤波器，通过有限个控制电压实现了以控制电压个数为指数的二进制式的带宽可重构的带通滤波器，解决了现有带宽可重构方案不适于窄带滤波器且插入损耗较大的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
二进制式的带宽可重构的带通滤波器，该滤波器设置于一块介质基板上，主要由输入传输线、输出传输线、置于输入传输线和输出传输线之间的N个四分之一波长谐振器以及置于输入传输线和谐振器之间的M个端接可切换的金属带条、置于相邻谐振器之间的M个端接可切换的金属带条、置于谐振器和输出传输线之间的M个端接可切换的金属带条组成，传输线和谐振器以及它们之间金属带条构成一个平行耦合结构，相邻谐振器以及它们之间金属带条构成一个平行耦合结构，该滤波器共包含N+1个平行耦合结构。
每个平行耦合结构中央设置的M个端接可切换的金属带条依序排列，每个端接可切换的金属带条的两端分别接一个PIN二极管开关后通过过孔接地，可通过竖直焊接于金属带条的中心的电阻对PIN二极管施加偏置电压，进而实现金属带条两端在开路和短路两种状态之间的切换。通过M个带宽控制电压改变M个端接可切换的金属带条的开路/短路状态，可以获得2M个不同的耦合系数值,从而实现2M种滤波器带宽，即实现二进制式的带宽可重构的带通滤波器，这些耦合系数值与每个金属带条的长度和在平行耦合结构中的位置相关。
任何带宽状态下产生的中心频率的偏移通过改变谐振器终端的变容二极管的偏置电压实现调整。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明提出了一类由传输线、谐振器和端接可切换的金属带条构成平行耦合结构的带通滤波器哦，通过M个控制电压调节端接可切换的金属带条的开路/短路状态，实现了2M种滤波器带宽的调制，从而实现滤波器的二进制式带宽可重构功能，相较于直接与谐振器连接开关二极管的可重构带通滤波器而言，本申请中开关管不与传输线/谐振器连接，避免了开关损耗对谐振器Q值的影响，能够实现带宽较宽滤波器的带宽可重构并维持滤波器较高的Q值。
（2）本申请提出的滤波器结构紧凑简单、尺寸较小，可与传统PCB工艺结合，工艺成熟，成本低廉。
附图说明
图1为本申请公开的二进制式的带宽可重构的带通滤波器的结构图。
图2为M=2的二进制式带宽可重构的带通滤波器的结构图
图3为端接可切换的金属带条的具体实现电路图。
图4为二进制式的带宽可重构的带通滤波器的PCB版图。
图5为二进制式的带宽可重构的带通滤波器在四种不同状态下的S参数曲线。
图中标号说明：1、输入传输线；2、第一谐振器；3、第二谐振器；4、输出传输线；5、变容二极管；6、隔直电容；7、限流电阻；8、PIN二极管；9、限流电阻；MS1-MS6为第一到第六端接可切换的金属带条；10、11为金属过孔；C1-C3为平行耦合结构；S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34为第一至第十二开关二极管。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的二进制式的带宽可重构的带通滤波器如图1所示，该滤波器设置于一块介质基板上，主要由输入传输线、输出传输线、置于输入传输线和输出传输线之间的N个四分之一波长谐振器以及置于输入传输线和谐振器之间的M个端接可切换的金属带条、置于相邻谐振器之间的M个端接可切换的金属带条、置于谐振器和输出传输线之间的M个端接可切换的金属带条组成，传输线和谐振器以及它们之间金属带条构成一个平行耦合结构，相邻谐振器以及它们之间金属带条构成一个平行耦合结构，该滤波器共包含N+1个平行耦合结构。
每个平行耦合结构的中央都设置有M个依序排列的端接可切换的金属带条，每个端接可切换的金属带条的两端分别接一个PIN二极管开关后通过过孔接地，可通过竖直焊接于金属带条的中心的电阻对PIN二极管施加偏置电压，进而实现金属带条两端在开路和短路两种状态之间的切换。通过M个带宽控制电压改变M个端接可切换的金属带条的开路/短路状态，可以获得2M个不同的耦合系数值,从而实现2M种滤波器带宽，即实现二进制式的带宽可重构的带通滤波器，这些耦合系数值与每个金属带条的长度和在平行耦合结构中的位置相关。
任何带宽状态下产生的中心频率的偏移通过改变谐振器终端的变容二极管的偏置电压实现调整。
图2给出了M=2的二进制式的带宽可重构的带通滤波器，输入传输线1和第一谐振器2以及它们之间的第一端接可切换的金属带条MS1、第二端接可切换的金属带条MS2构成平行耦合结构C1，第一谐振器2和第二谐振器3以及它们之间的第三端接可切换的金属带条MS3、第四端接可切换的金属带条MS4构成平行耦合结构C2，第二谐振器3和输出传输线4以及它们之间的第五端接可切换的金属带条MS5、第六端接可切换的金属带条MS6构成平行耦合结构C3。第一端接可切换的金属带条MS1的两端分别与第一开关二极管S11的阳极、第二开关二极管S12的阳极相连，第二端接可切换的金属带条MS2的两端分别与第三开关二极管S13的阳极、第四开关二极管S14的阳极相连，第三端接可切换的金属带条MS3的两端分别与第五开关二极管S21的阳极、第六开关二极管S22的阳极相连，第四端接可切换的金属带条MS4的两端分别与第七开关二极管S23的阳极、第八开关二极管S24的阳极相连，第五端接可切换的金属带MS5条的两端分别与第九开关二极管S31的阳极、第十开关二极管S32的阳极相连，第六端接可切换的金属带条MS6的两端分别与第十一开关二极管S33的阳极、第十二开关二极管S34的阳极相连，所有开关二极管的阴极接地。第一谐振器2和第二谐振器3的开路端都与一个变容二极管5阴极相连，变容二极管5的阳极与隔直电容6的一极以及限流电阻7的一端相连，隔直电容6另一极接地，限流电阻7的另一端接用于调节变容二极管5的控制电压。
如图4所示，第一谐振器和第二谐振器均为一端通过金属过孔10接地的长条形谐振器，谐振器的长度等于带通滤波器中心频率的四分之一波长，每个端接可切换的金属带条的两端分别接一个PIN二极管开关后通过过孔11接地。
如图3所示，可通过竖直焊接于金属带条的中心的限流电阻9对PIN二极管施加偏置电压，可控制PIN二极管是否导通，当PIN二极管导通，相当于开关闭合，不导通相当于开关断开，限流电阻的作用是防止电流过大。
PIN二极管开关分为两组，S11、S12、S23、S24、S31、S32是第一组开关，第一开关二极管组均由第一控制电压控制通断；S13、S14、S21、S22、S33、S34是第二组开关，第二开关二极管组均由第二控制电压控制通断。
当第一控制电压和第二控制电压都为0V时，第一组开关和第二组开关全部断开，记为状态00；当第一控制电压为0V，第二控制电压为10V时，第一组开关全部断开，第二组开关全部导通时，记为状态01；当第一控制电压为10V，第二控制电压为0V时，第一组开关全部导通，第二组全部断开，记为状态10，当第一控制电压和第二控制电压都为10V时，第一组和第二组开关全部导通时，记为状态11。四种状态分别对应四种带宽。控制两组开关的通断可以在四个特定的通带之间进行切换，实现带宽的可重构。
本发明给出了一个二进制式带宽可重构的带通滤波器的设计实例，如图4所示,该滤波器所选用介质板材选用roodgers4003，相对介质常数3.38，正切损失角0.003。厚度为3mm，长、宽分别为80mm、27.5mm。端接可切换金属带条的长度LR1=3mm，LR2=8mm，LR3=12mm，LR4=8mm，平行耦合结构C1和C3的间距D1=2mm,平行耦合结构C2的间距D2=6.5mm，谐振器长度W0=55mm，输入、输出传输线长度L2=40mm, 输入、输出传输线宽度W1=2mm,端接可切换的带条宽度W2=0.75mm，谐振器宽度W3=2mm。
通过调节谐振器终端的变容二极管的偏置电压使四种状态的通带的中心频率都是f0=0.78Ghz，00状态的带宽BW=27.6Mhz, 01状态的带宽BW=24Mhz, 10状态的带宽BW=22Mhz，11状态的带宽BW=18.5Mhz，具体的S参数曲线如图5所示；通带内回波损耗分别为10dB、12dB、14dB、15dB。
以上所述的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.二进制式的带宽可重构的带通滤波器，其特征在于，包括：输入传输线，输出传输线，N个置于输入传输线和输出传输线之间的四分之一波长的谐振器，以及，M个置于传输线和谐振器之间或相邻谐振器之间的端接可切换的金属带条，每个端接可切换的金属带条的两端分别接一个PIN二极管开关，金属带条的两端通过过孔接地且中心焊接有限流电阻，限流电阻的另一端接用于对PIN二极管施加偏置电压的控制电压信号，
传输线和谐振器以及置于它们之间的M个端接可切换的金属带条，或者，相邻谐振器以及置于它们之间M个端接可切换的金属带条组成一个平行耦合结构，N和M均为正整数。
2.根据权利要求1所述二进制式的带宽可重构的带通滤波器，其特征在于，谐振器为一端通过金属过孔接地的长条形谐振器，长条形谐振器的长度等于带通滤波器中心频率的四分之一波长，谐振器的另一端与变容二极管阴极连接，变容二极管的阳极与隔直电容的一极、限流电阻的一端相连，隔直电容的另一极接地，限流电阻的另一端接用于调节变容二极管的偏置电压信号。
3.根据权利要求1所述二进制式的带宽可重构的带通滤波器，其特征在于，将所有端接可切换的金属带条分为两组，为每一组端接可切换的金属带条提供一种控制金属带条的开路或短路的电压信号得到2M个不同的耦合系数值。
4.根据权利要求2所述二进制式的带宽可重构的带通滤波器，其特征在于，对于任意二进制式带宽状态下产生的中心频率的偏移，通过改变与谐振器相连的变容二极管的偏置电压实现调整。
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