CN110364789B - 一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，包括谐振器、馈电线和短路耦合线结构，所述馈电线相邻所述谐振器设置，该短路耦合线结构通过PIN二极管连接在所述馈电线上；所述短路耦合线结构包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和所述第二微带线相互耦合；所述第一微带线的一端通过PIN二极管连接在所述馈电线上，所述第二微带线的一端接地；所述谐振器一端通过变容二极管接地设置有短路耦合线结构，在滤波器通带的两侧分别引入了两个传输零点，使得滤波器具有良好的选择性，使得滤波器阻带可达到1.75GHz的宽度。同时，在PIN二极管和变容二极管的作用下，可以实现滤波器的零点可重构和中心频率可重构特性。

Description

一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器

技术领域

本发明涉及电磁场与微波应用领域，具体涉及一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器。

背景技术

在文献【1】中，提出了一种基于平行耦合线的带通滤波器，该滤波器对传统平行耦合线滤波器做了改进，使其能有更好的谐波抑制效果，但该滤波器通带外(阻带内)不存在传输零点，所以滤波器的选择性较差。该滤波器的结构图如下图1所示，该滤波器使用的板材为RO4003，它的介电常数为3.38，板材厚度为1.524mm。滤波器的仿真和实测结果如下图2所示：

由图2的仿真和实测结果可以看出，该滤波器通带外没有传输零点，导致滤波器的选择性不高，并且该滤波器的尺寸也较大，在微波器件逐渐小型化的今天已经不再适用。

在文献【2】中也设计了一种基于平行耦合线的滤波器，该滤波器在带外虽然有一个传输零点，但是滤波器的选择性依旧较差，而且该滤波器的阻带范围较窄。该滤波器的结构如下图3所示：

该滤波器使用的板材为RO4003，具有3.38的介电常数和1.524的厚度。滤波器的参数为：L＝52.65mm,S＝0.7mm,W＝1.0mm,M＝76％。该滤波器的仿真和实测结果如下图4所示：

从图4我们可以看出，该滤波器虽然在通带有端有一个传输零点，但是滤波器的选择性依旧较差，并且该滤波器的阻带范围很窄。与文献【1】中相同，该滤波器的尺寸也很大，不适应现代通信系统的要求。

综上：两种基于平行耦合线的微带滤波器都具有频率选择性差，体积大的缺点，而且，第二种滤波器的阻带范围也较窄。另外，随着无线通信系统的高速发展，无线通信系统要求能适用于多频段,多标准工作，导致系统前所未有的复杂。而可重构微波元件具有降低系统复杂度的潜能。可重构滤波器作为可重构系统中最重要的器件之一，能用于通道的选择和镜频抑制，大大的降低了通信系统的复杂度。而文献中所提到的两种滤波器都不具有可重构的功能。

【1】Pedro Cheong,Si-Weng Fok and Kam-Weng Tam,"Miniaturized parallelcoupled-line bandpass filter with spurious-response suppression,"in IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.53,no.5,pp.1810-1816,May2005.

【2】Si-Weng Fok,P.Cheong,Kam-Weng Tam and Rui Martins,"A novelmicrostrip bandpass filter design using asymmetric parallel coupled-line,"2005IEEE International Symposium on Circuits and Systems,Kobe,2005,pp.404-407Vol.1.

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，具体技术方案如下：

一种基于短路耦合线结构的滤波器，其特征在于：包括谐振器、馈电线和短路耦合线结构，该短路耦合线结构通过PIN二极管连接在所述馈电线上，该谐振器的第一线段未与第二线段相连接的一端通过变容二极管接地；

所述短路耦合线结构包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和所述第二微带线相互耦合；

所述第一微带线的一端通过PIN二极管连接在所述馈电线上，所述第二微带线的一端接地。

为更好的实现本发明，可进一步为：所述谐振器为阶梯阻抗谐振器，所述谐振器包括镜像对称设置的两根第三微带线，所述第三微带线包括依次连接的第一线段、第二线段和第三线段，所述第一线段和所述第三线段相对所述第二线段向同一侧弯折，所述第二线段的线宽大于所述第一线段的线宽，所述第三线段的线宽大于所述第二线段的线宽，所述第一线段未与第二线段相连的一端通过变容二极管接地。

进一步地：在所述谐振器两侧分别设置有馈电线，所述馈电线包括第一馈线段、第二馈线段和第三馈线段，所述第一馈线段和所述第三馈线段连接在所述第二馈线段两端，且所述第一馈线段和所述第三馈线段相对所述第二馈线段分别向相反方向弯折；

所述第二馈线段相对所述第一线段平行设置，所述第三馈线段相对所述第二线段平行设置。

本发明的有益效果为：

第一，与传统平行耦合线滤波器相比，由于第二线段的线宽大于第一线段的线宽，第三线段的线宽大于所述第二线段的线宽。采用阶梯阻抗结构，本发明的阻带范围宽，滤波器的寄生频率距离通带很远，寄生频率对通带影响较小。

第二，由于第三微带线包括依次连接的第一线段、第二线段和第三线段，第一线段和第三线段相对所述第二线段向同一侧弯折，由于谐振器采用弯折结构，与传统平行耦合线滤波器相比，该滤波器具有更小的体积，有益于通信系统的小型化和集成化。

第三，设置有短路耦合线结构，由图8可知，在滤波器通带的两侧分别引入了两个传输零点，使得滤波器具有良好的选择性，使得滤波器阻带可达到1.75GHz的宽度。

第四，由图9可知，通过控制PIN二极管的开关改变加载短路耦合结构的个数可以改变滤波器带外传输零点的个数，从而实现滤波器传输零点个数重构以及阻带特性的重构。

第五，由图10可知，通过在所述滤波器第三微带线第一线段加载变容二极管，并利用电压控制变容二极管的电容值实现谐振器电长度的变化，进而可以实现滤波器中心频率的可重构。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为背景文献1中的滤波器结构；

图2为图1中滤波器仿真图；

图3为背景文献2中的滤波器结构；

图4为图3中滤波器仿真图；

图5为半波长阶梯阻抗谐振器；

图6为短路耦合结构阻抗示意图；

图7为本发明滤波器结构示意图；

图8为图7的仿真示意图。

图9为通过控制PIN二极管的开关改变加载短路耦合结构个数时本发明滤波器的仿真结果示意图。

图10为通过控制加载变容二极管的电容值改变所述滤波器第三微带线第一线段长度(改变谐振器等效电长度)时本发明滤波器的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图5至图8所示：

一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，包括谐振器、馈电线和短路耦合线结构，馈电线相邻所述谐振器设置，该短路耦合线结构通过PIN二极管连接在所述馈电线上；

谐振器为阶梯阻抗谐振器，谐振器包括呈左右镜像对称设置的两根第三微带线；

第三微带线包括依次连接的第一线段、第二线段和第三线段，第一线段和所述第三线段相对所述第二线段均向下侧弯折，第二线段的线宽大于所述第一线段的线宽，所述第三线段的线宽大于第二线段的线宽，所述第一线段未与第二线段相连的一端通过变容二极管接地。

短路耦合线结构包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和所述第二微带线相互耦合，第一微带线位于所述第二微带线下方；

第一微带线的左端通过PIN二极管连接在馈电线上，第二微带线的右端接地。

馈电线包括第一馈线段、第二馈线段和第三馈线段，第二馈线段相对所述第一线段平行设置，所述第一馈线段和所述第三馈线段连接在所述第二馈线段两端，且第一馈线段和所述第三馈线段相对所述第二馈线段分别向相反方向弯折，第三馈线段相对所述第二线段平行设置。

如图7所示，本发明的具体一个参数选择为，采用的介质基板的介电常数为3.5，厚度为0.508毫米。滤波器的尺寸参数为：W₁＝1.14mm,W₂＝0.9mm,W₃＝1.8mm,W₄＝0.3mm,L₁＝12.73mm,L₂＝13mm,L₃＝13.6mm,L₄＝14.1mm,L₅＝15mm,L₆＝1.5mm,L₇＝20.6mm,L₈＝2.7mm,L₉＝3mm,L₁₀＝20mm,L₁₁＝1.7mm,S₁＝0.4mm,S₂＝0.3mm,S₃＝0.2mm。

当两个加载的PIN二极管处于关断状态时，根据该滤波器得到的效果如图8所示，由于在滤波器通带两侧各有两个传输零点，使得滤波器具有良好的选择性，同时，由于阶梯阻抗谐振器的作用，滤波器的寄生频率距离通带很远，使滤波器上阻带可以达到1.75GHz的宽度。滤波器的零点可重构性如图9所示，当加载耦合短路结构的个数分别为零个，一个，两个时，滤波器带外传输零点个数分别为零个，两个，和四个，同时带内特性基本不变。滤波器的中心频率可重构性如图10所示，当通过改变变容二极管电容值实现阶梯阻抗谐振器的有效电长度发生变化时(即第三微带线的第一线段长度发生变化)，滤波器的中心频率也发生了变化。

本发明工作原理：

引入传输零点原理：

术语定义说明：设短路耦合结构的输入阻抗为Z_TN，第一微带线的特征阻抗为Z_et，第一微带线的特征阻抗为Z_ot；传输零点：是滤波器传输函数等于零的频点，即在这一频点上使得能量不能通过网络，因而起到信号完全隔离作用。通常平行耦合带通滤波器的传输函数为零的点在频率的无限远处，称之为无限传输零点。但由于零点处于频率的无限远处，因此，滤波器的频率选择性和带宽抑制特性差。在实际设计的带通滤波器中为了使通带外有较大抑制以及提高滤波器的选择性，就需要在一些特定的频点处引入零点，这便是通常所指的有限零点。根据图6，假设一个短路耦合结构的输入阻抗为Z_TN，该输入阻抗为：

在公式1中，Z_et和Z_ot分别为两端微带线的特征阻抗，θ_t为电长度，为了获得通带响应；

假设Z_TN在滤波器中心频率处为无穷大，此时对应的电长度θ_t为π/2，将公式(1)改写为：

在该公式(2)中f为工作频率，f_c为滤波器通带中心频率，；

由公式(2)可以得出该结构在f_z＝f_c(1+δ)处引入零点的方程：

公式中δ为未知数，用来表示传输零点位置f_z的，当k_c确定时，即可得出δ的值，从而的出传输零点的位置f_z。

K_c是Z_et和Z_ot阻抗比，传输零点所在频率由K_c决定，解方程(3)可得：

由方程(4)可以知道±|δ|可以得到相同的K_c，所以该短路耦合结构可以引入两个传输零点。

由图7可知，在图7所示的滤波器的两条馈电线上都分别引入短路耦合线结构，因此相当于引入四个传输零点。

零点可重构原理：微波开关利用PIN管在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性，实现了控制微波信号通道转换作用。因此，将可以引入传输零点的短路耦合结构通过PIN二极管与馈电线相连接，当对PIN二极管加上直流正或反偏压时，PIN二极管会导通或断开，这样就可以控制短路耦合结构是否加载在馈电线上。从而完成零点的可重构特性。

中心频率可重构原理：在滤波器的设计中，当谐振器的电长度发生变化时，谐振器的谐振频率也会发生变化，这就会导致由谐振器谐振所构成的滤波器通带发生变化，从而导致滤波器中心频率发生变化。因此，想要完成滤波器中心频率的可重构只需要改变谐振器的电长度。

通过在谐振器的一端加载电容即可改变谐振器的电长度，为了使这种电长度的变化可控，通过在谐振器的一端加载变容二极管即可控制所加电容的大小，即控制谐振器电长度的变化。变容二极管(Varactor Diodes)又称“可变电抗二极管”，是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的，反向偏压越高，结电容则越小。

因此，通过在本发明滤波器的阶梯阻抗谐振器(第三微带线第一线段)上加载变容二极管，即可完成滤波器的中心可重构特性。

Claims (4)

1.一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，其特征在于：包括馈电线、短路耦合线结构和谐振器；所述馈电线相邻所述谐振器设置；所述短路耦合线结构通过PIN二极管连接在所述馈电线上，实现通带外零点个数的控制，提高阻带特性；所述谐振器一端通过变容二极管接地以实现滤波器通带中心频率和带宽可调；

所述短路耦合线结构包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和所述第二微带线通过缝隙相互耦合；所述第一微带线的一端通过PIN二极管连接在所述馈电线上，所述第二微带线的一端接地；

所述谐振器为阶梯阻抗谐振器，所述谐振器包括镜像对称设置的两根第三微带线，所述第三微带线包括依次连接的第一线段、第二线段和第三线段，所述第一线段和所述第三线段相对所述第二线段向同一侧弯折，所述第二线段的线宽大于所述第一线段的线宽，所述第三线段的线宽大于所述第二线段的线宽，所述第一线段开路一端通过变容二极管接地。

2.根据权利要求1所述一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，其特征在于：在所述谐振器两侧分别设置有馈电线，所述馈电线包括第一馈线段、第二馈线段和第三馈线段，所述第一馈线段和所述第三馈线段连接在所述第二馈线段两端，且所述第一馈线段和所述第三馈线段相对所述第二馈线段分别向相反方向弯折；所述第二馈线段相对所述第一线段平行设置，所述第三馈线段相对所述第二线段平行设置。

3.根据权利要求1所述一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，其特征在于：所述短路耦合结构通过PIN二极管连接到所述馈电线上，且PIN二极管与馈电线的连接位置可以根据具体性能要求而改变；通过控制PIN二极管的开关特性实现通带外零点个数，提高阻带宽度和带外抑制特性。

4.根据权利要求1所述一种基于短路耦合线结构的多功能可重构滤波器，其特征在于：所述第三微带线的第一线段未与第二线段相连的一端通过变容二极管接地；通过控制变容二极管实现谐振器等效电长度的调整，实现通带中心频率可调。

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