CN110444843A - 基于频率可调结构可切换的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率可调带宽保持可切换的带通滤波器。该滤波器的特征在于：所述滤波器的外形由上下两部分微带线构成，滤波器结构也较为简单且易实现；并且在上下部分之间由开关部分组成，使之在频率上可进行切换，保证了滤波器的宽调频区间；另外在滤波器上加入电调节结构，保证了滤波器能在不同电压下进行中心频率的调节，可以实现在较宽的频域之中进行中心频率的调节，整体有着良好的特性。本发明提供了一种新型的频率可调节的带通滤波器拓扑结构，该结构较为容易实现，实现了在较宽频域的中心频率调节，且性能较优的可重构带通滤波器。

Description

基于频率可调结构可切换的带通滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种频率可调范围广、制作简单，并可用于微波电路进行滤波的频率可调结构可切换的带通滤波器。

背景技术：

近些年以来，由于新的通讯技术出现，无线通信方面也出现了很多相关革新。它的发展同时也将五湖四海的各地相互联系到了一起，使人们的生活更加的便利，同时也更加的高效。

而在现今复杂的通信环境之下，人们对着通信的质量也有着不断上升的需求，通信领域之中也不断涌现新的协议理论，而在这些新的协议则需要不断地更新相应的硬件支持，同时也对收发端滤波的性能也有了更高的要求。

滤波器在无线通信系统之中发挥的作用是充当一个“门槛”，即具有一定的频率选择性，不仅可以选择到特定的频率，还能消除一定的带外干扰，筛除那些接收端不需要的信号，不同性能的滤波器也发挥着不同的作用。而可重构滤波器的出现，则不仅在降低了射频部分的制造费用，而且还可以在工作过程之中重新进行配置，“量体裁衣”的达到接收信号的需求。

而到目前为止，已经有几种不同的可调的滤波器被提出。最早是一款频率可重构的低频滤波器被提出，之后便有可调频带更宽的带通微带线电调滤波器的结构出现，但是其缺点是调节范围较小。直到后来又有学者提出了一种新型的结构实现更宽范围调节的可重构滤波器。根据这些我们可以看出，为了符合不同的通信环境，频率和带宽成为了新型可重构滤波器的切入点。同时由于这种滤波器拥有灵活性更好的特点，所以近些年来也越发的引起行业类的重视，可重构滤波器也成为了滤波器领域中的研究热门。

随着科学的发展与进步，越来越多的通信系统出现在我们的生活中，比如出现较早的蓝牙、数字广播、GSM，还有近些年才出现的WLAN、WiMAX、数据链等各种技术，对频谱的划分要求越来越高。而带通滤波器因为是一种选频元件，不仅可以放置在接收机的前端用来限制有效工作带宽，还可以放置在前端抑制谐波，所以在通信系统中扮演着非常重要的角色。

滤波器一般分为低通、高通、带通和带阻滤波器。而低通滤波器是最常用的选频元件，无论是带通、带阻还是高通滤波器，都可以通过对低通滤波器进行变换得到。在无线通信系统中，低通滤波器的作用是实现低频信号正常通过，高频信号被抑制，对通信系统中的干扰进行抑制，从而提高通信系统的性能。在无线通信系统中，带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生。而可重构带通滤波器也是在一段选择的区间之上进行频率或者带宽的调节。

理想的滤波器应该是一个二端口网络：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内他使信号完全不能传输。其中由于带通滤波器的主要作用是抑制不需要的低高频信号，通过需要的有用信号，因此可以用来抑制干扰，是最常用的选频元件。所以对于带通滤波器在系统中的应用，人们想能适用于更多筛选环境的带通滤波器，于是频率或者带宽调节成为了首要的考虑方向。

随着科技的进步、社会的发展和对滤波器的研究，高性能同时更加灵活的适应于滤波环境的滤波器成为了研究的重点和滤波器发展的必然趋势。从实用的角度出发，在很多通信环境之中，射频前端往往需要更加灵活的滤波器，以适应于不同的频段。其中可重构滤波器的设计方法有：1、其一是调节谐振器的长度。2、在谐振器的一端加载上一个变容电容或者电感元件，使用电调方式进行频率控制。但是前者受限于尺寸的限制，所以较少用于设计之中。而后者之中的加载电感的方法，由于电感值的调节十分较困难，所以大部分设计方法是通过加载电容方法，将电压施加到可变电容之上的方式进行调节，这种进行调节的方式也是十分简单便捷的。下面部分采用开关连接的方法，使两端微带线结构可进行切换。

发明内容

为了满足微波技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供了一种频率可调可切换的带通滤波器。

本发明提供一种基于频率可调可切换的带通滤波器的拓扑结构。由于对于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，而只能采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

商用的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是ADS对提出的低通滤波器结构进行优化。再将优化的结构制成样品，对样品测试，用实验的方法证实该滤波器拓扑结构。

本发明是一种频率可调可切换的带通滤波器。采用介电常数ε_r＝3.48，介质厚度h＝0.508mm的材质进行仿真优化。

所述基于频率可调可切换的带通滤波器，有上下两个微带线结构，在它们之间使用开关结构进行连接。所述频率可调可切换的带通滤波器其中上部分与可变电容连接，可变电容上面加载电压，使用电压对结构的集总电容产生影响，从而使中心频率可以进行调节。

下方使用一个开关结构使之相连接，当开关闭合时候，由于等效线长增加的原因，此时滤波器处于低频状态，调控电压则可以在低频之中进行中心频率的调节。反之，当开关部分断开的时候，则是处于的高频状态，调控电压则可以在高频之中进行中心频率的调节。

本发明的具体技术方案如下：

一种频率可调可切换的带通滤波器，微带基片的介电常数为3.48,介质厚度为0.508mm，包括两段微带线结构，一对用于连接的开关器件，三个可变电容和电源部分。所述频率可调可切换的带通滤波器结构沿中轴对称；上部分三个微带线上加载可变电容，电容上施加电压；下部分由开关部分控制结构的切换，导通时使之时处于低频状态，断开时使之处于高频状态。

本发明的于频率可调可切换的带通滤波器，具体尺寸如下：

上部分的微带线长L₁＝25mm，微带线宽分别是从左到右分别是W₁＝0.3mm、W₂＝1.9mm和W₃＝2mm。相邻微带线之间间距从左到右分别是S₁＝0.24mm、S₂＝1.4mm。下部分结构的线长L₂＝1.8mm，微带线间间距S₃＝0.8mm，线宽均是W₄＝1.9mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的频率可调可切换的带通结构，即频率可调可切换的带通滤波器。将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，结果表明，本发明滤波器整体性能较好：本文设计的带通滤波器的调节中心频率在1.0GHz到1.65GHz之间进行变换，有着650MHz的可调区间，并且其带宽的变化区间在高低频时分别保持在100MHz和50MHz，总体相对带宽为49.1％。由上可知，该滤波器不仅易于构造，调控范围较广，而且带宽也较宽，具有良好的性能。

附图说明

图1为本发明频率可调可切换的带通滤波器的断开高频拓扑结构图。

图2为本发明频率可调可切换的带通滤波器的闭合低频结构拓扑图。

图3为本发明频率可调可切换的带通滤波器的整体结构拓扑图。

图4为频率可调可切换的带通滤波器初始仿真测试图。

图5为频率可调可切换的带通滤波器开关断开高频时电压调控测试图。

图6为频率可调可切换的带通滤波器开关断开高频时电压调控测试图。

图7为频率可调可切换的带通滤波器开关断开高频时电压调控测试图。

图8为频率可调可切换的带通滤波器开关闭合低频时电压调控测试图。

图9为频率可调可切换的带通滤波器开关闭合低频时电压调控测试图。

图10为频率可调可切换的带通滤波器开关闭合低频时电压调控测试图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明频率可调可切换的带通滤波器的高频拓扑结构图。此时的开关是处于断开的状态，等效于图1中所示的结构拓扑图。此时状态可在较高频率区域通过电压(0-20V)调控进行中心频率的调节。

图2本发明频率可调可切换的带通滤波器的闭合低频结构拓扑图，此时的开关部分是处于闭合状态的，由于等效线长的变化，此时的带宽区间是低于开关断开的高频状态的。这时调控电压(0-20V)的大小可以在低频区域进行中心频率的调节。

图3为频率可调可切换的带通滤波器整体结构拓扑图，微带线之上加载可变电容以及电源结构，下部分加载开关结构连接。各部分的尺寸为：上部分的微带线长L₁＝25mm，微带线宽分别是从左到右分别是W₁＝0.3mm、W₂＝1.9mm和W₃＝2mm。相邻微带线之间间距从左到右分别是S₁＝0.24mm、S₂＝1.4mm。下部分结构的线长L₂＝1.8mm，微带线间间距S₃＝0.8mm，线宽均是W₄＝1.9mm。

图4是原始初步尺寸下不施加电压的仿真结果。

图5、图6、图7为频率可调可切换的带通滤波器开关断开高频时电压调控测试图，此时分别施加4V、12V、20V电压的调控仿真测试结果。

图8、图9、图10为频率可调可切换的带通滤波器开关闭合低频时电压调控测试图，此时分别施加0V、4V、8V电压调控的仿真测试结果。

本发明是一种新型的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，相对带宽可达49.1％。高于大多数其它设计方法的相对带宽，具有结构紧凑，性能良好等优点。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种频率可调结构可切换的带通滤波器，微带基片的介电常数为3.48,介质厚度为0.508mm，包括上下两个微带线部分、两个开关元件、三个电源、三个可变电容，其特征在于：所述的频率可调结构可切换带通滤波器上部分使用了三个可变电容；电容之上施加电压；下部分通过开关结构与下部分微带结构连接。

2.如权利要求1所述的频率可调结构可切换的带通滤波器，其特征在于：两边结构沿中心线对称，其中：上部分的微带线长L＝25mm，微带线宽分别是W₁＝0.3mm、W₂＝1.9mm和W₃＝2mm；相邻微带线之间间距S₁＝0.24mm、S₂＝1.4mm；下部分结构的线长L₂＝1.8mm，微带线间间距S₃＝0.8mm，线宽W₄＝1.9mm。

3.如权利要求1所述的频率可调结构可切换的带通滤波器，其特征在于：所述可切换结构结构、耦合线材质均为铜箔，此外还有可变电容和电源部分。