CN110492865B - 一种混合滤波网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合滤波网络，包括四个谐振器和四个变容电路；所述四个谐振器呈环状分布；每相邻两个谐振器通过一个所述变容电路连接；所述四个谐振器中的最多两个目标谐振器外接输入信号，以使所述输入信号通过所述四个谐振器和所述四个变容电路之间的配合，从第一设定谐振器处输出第一信号，从第二设定谐振器处输出第二信号；其中，所述第一设定谐振器和所述第二设定谐振器为所述四个谐振器中除所述目标谐振器以外的任意两个谐振器；所述第一信号和所述第二信号的相位不同。由此，可以灵活、便捷的得到预设相位差的两个信号。

Description

一种混合滤波网络
技术领域
本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种混合滤波网络。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，多频段工作系统现已广泛应用于通信领域，现有的智能手机已集成了3G，4G，5G，WIFI，蓝牙和GPS全球定位系统等多项技术标准。这些标准对应着多个不同的工作频段及工作模式，其收发前端需要采用多个不同中心频率的滤波器组成滤波网络，进行频率预选。
现有技术中滤波网络过多依赖谐振器之间产生的四个磁耦合或者产生三个磁耦合和一个电耦合实现输出信号之间固定的相位差，但通过谐振器之间的四个磁耦合或者产生三个磁耦合和一个电耦合仅实现输出信号之间固定相位差的滤波功能，输出信号之间的相位差基本一致，无法直接得到预设相位差、带宽、功分比的两个信号，实际应用时欠缺灵活性、不便。
发明内容
针对现有技术及其问题，本发明的目的在于提供一种混合滤波网络。以解决现有滤波技术中无法直接得到预设相位差的两个信号，从而导致实际应用时欠缺灵活性、不便的问题。
本发明由以下技术方案实现：
一种混合滤波网络，包括四个谐振器和四个变容电路；
所述四个谐振器呈环状分布；每相邻两个谐振器通过一个所述变容电路连接；
所述四个谐振器中的最多两个目标谐振器外接输入信号，以使所述输入信号通过所述四个谐振器和所述四个变容电路之间的配合，从第一设定谐振器处输出第一信号，从第二设定谐振器处输出第二信号；
其中，所述第一设定谐振器和所述第二设定谐振器为所述四个谐振器中除所述目标谐振器以外的任意两个谐振器；所述第一信号和所述第二信号的相位不同。
可选的，每一个谐振器均为中空管状结构，每一个谐振器的一侧均设置有一个压电制动器，所述压电制动器与所述谐振器形成腔体结构；
每一个所述压电制动器外接一个偏置电压，以使在所述偏置电压的作用下，所述压电制动器相对于所述谐振器运动，影响所述腔体结构的大小，进而调节所述输入信号的中心频率。
可选的，所述压电制动器与所述谐振器通过导电银浆连接。
可选的，所述压电制动器为压电陶瓷制动器。
可选的，所述变容电路包括变容元件，以及与所述变容元件连接的第一贴片电阻，所述变容电路通过所述第一贴片电阻远离所述变容元件的一端外接偏置电压，其中，所述变容元件与相邻两个谐振器上的一端连接。
可选的，所述变容元件为共阴极的第一二极管、第二二极管，所述共阴极的第一二极管、第二二极管的阴极通过第一贴片电阻外接偏置电压，所述共阴极的第一二极管、第二二极管的两个阳极分别与相邻两个谐振器上的一端连接。
可选的，所述混合滤波网络还包括四个信号传输电路；
每一个目标谐振器的另一端各经一个所述信号传输电路外接输入信号，所述信号传输电路用于降低信号输入的回波损耗。
可选的，每一个设定谐振器各经一个所述信号传输电路输出信号，所述信号传输电路还用于降低信号输出的回波损耗。
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种混合滤波网络，该混合滤波网络由多个SIW消逝模谐振器，因此损耗较低，结构简单，容易加工实现，符合当前收发前端电路小型化、集成化、低能耗的主流趋势。通过控制变容电路的电容值变化，以使任意相邻两个谐振器之间发生电容耦合，实现相邻两个谐振器之间电感耦合与电容耦合切换与调节，实际应用时，可以灵活、便捷的得到预设相位差的两个信号。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种混合滤波网络的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种混合滤波网络的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第三种混合滤波网络的结构示意图；
图4a为本发明实施例提供的混合滤波网络正交滤波时的S参数测试图(S31，S41)；
图4b为本发明实施例提供的混合滤波网络正交滤波时的S参数测试图(S11，S21)；
图5为本发明实施例提供的混合滤波网络正交滤波时输出信号相位不平衡测试图；
图6为本发明实施例提供的混合滤波网络正交滤波时功分比可重构的S参数测试图；
图7为本发明实施例提供的混合滤波网络正交滤波时带宽可重构S参数测试图；
图8a为本发明实施例提供的混合滤波网路环形电桥滤波时的功分S参数测试图(S21,S31)。
图8b为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时的功分S参数测试图(S11,S41)。
图9为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时的功分输出信号相位不平衡度测试图；
图10为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时功分比可重构的功分S参数测试图
图11为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时带宽可重构的功分S参数测试图；
图12为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时的巴伦S参数测试图；
图13为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时的巴伦输出信号相位不平衡度测试图；
图14为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时功分比可重构的巴伦S参数测试图；
图15为本发明实施例提供的混合滤波网络环形电桥滤波时带宽可重构的巴伦S参数测试图。
图标：1-混合滤波网络；10-谐振器；11-压电制动器；20-变容电路；21-变容元件；211-第一二极管；212-第二二极管；22-第一贴片电阻；23-偏置电压；30-基板；31-铜箔；40-信号传输电路；41-第三二极管；42-第四二极管；43-第二贴片电阻。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种混合滤波网络1的结构示意图。包括四个谐振器10和四个变容电路20；
所述四个谐振器10呈环状分布；每相邻两个谐振器10通过一个所述变容电路20连接；
所述四个谐振器10中的最多两个目标谐振器外接输入信号，以使所述输入信号通过所述四个谐振器10中的最多两个目标谐振器外接输入信号，以使所述输入信号通过所述四个谐振器10和所述四个变容电路20之间的配合，从第一设定谐振器处输出第一信号，从第二设定谐振器处输出第二信号。
可选的，其中接入信号的目标谐振器可以为一个或者两个，当目标谐振器为一个时，除了目标谐振器和两个设定谐振器的另一个谐振器连接信号终端，信号终端用于隔离信号。
在本发明实施例中的四个谐振器10和四个变容电路20安装在同一基板30上，其中本发明实施例中的谐振器10采用的是基于基片集成波导的消逝模谐振器，四个谐振器10通过微带与所述变容电路20连接，基板30采用的是型号为Rogers4350B的基板，基板30的厚度为60密尔，其中基板30上还设置有信号输入端口和信号输出端口，其中信号输入端口和信号输出端口分别设置有SMA接头，目标谐振器上的共面波导与信号输入端口上的SMA接头连接，设定谐振器上的共面波导与信号输出端口上的SMA接头连接。
现有技术中，现有技术中滤波网络过多依赖谐振器之间产生的四个磁耦合或者产生三个磁耦合和一个电耦合实现输出信号之间固定的相位差，但通过谐振器之间的四个磁耦合或者产生三个磁耦合和一个电耦合仅实现输出信号之间固定相位差的滤波功能，输出信号之间的相位差基本一致，无法直接得到预设相位差、带宽、功分比的两个信号，实际应用时欠缺灵活性、不便。
在本发明实施例中，工作人员可以通过控制变容电路20的电容值变化，以使任意相邻两个谐振器之间发生电容耦合，此时四个谐振器10中任意相邻两个谐振器可以为电感耦合或电容耦合，使得输入信号通过四个谐振器10与四个变容电路20之间的配合，从第一设定谐振器及第二设定谐振器处输出相位不同的两个信号。其中两个信号的相位，以及两个信号之间的相位差都可以通过工作人员来控制。以使在实际应用时，可以灵活、便捷的获得多种不同相位差的两个信号，具有功分滤波、巴伦滤波以及正交滤波的功能。
本发明实施例中，所述变容电路20包括变容元件21，以及与所述变容元件21连接的第一贴片电阻22，所述变容电路20通过所述第一贴片电阻22远离所述变容元件21的一端外接偏置电压23，其中，所述变容元件21与相邻两个谐振器上的一端连接。
可选的，所述变容元件21与相邻两个谐振器上的微带连接。
可选的，所述变容元件21为共阴极的第一二极管211、第二二极管212，所述共阴极的第一二极管211、第二二极管212的阴极通过第一贴片电阻22外接偏置电压23，所述共阴极的第一二极管211、第二二极管212的两个阳极分别与相邻两个谐振器上的一端连接。
本发明实施例中，可选的，第一二极管212可以为标号C9、C11、C13、C15的二极管；第二二极管212可以为标号C10、C12、C14、C16的二极管；第一贴片电阻22可以为标号R5、R6、R7、R8的电阻。
可选的，在基板30上开槽，通过在基板30上镀铜连接谐振器10实现电容性负载，在电容性负载上加入枝节，在枝节另一端打基板上的通孔连接到谐振器10相对于基板的另一面加载变容二极管，实现级间电感耦合与电容耦合切换和调节。
倘若所述变容元件不是共阴极的两个二极管时，当将偏置电压输入至变容电路时，容易影响该滤波网络对输入信号的滤波效果。本发明实施例中的变容元件21设置为共阴极的两个二极管，当偏置电压23输入至所述变容电路20时，两个二极管共阴极处的电压同时升高，电容增大，由于二极管的单向导通性，并不会使电流流向谐振器10，进而不会对该混合滤波网络1的滤波效果造成影响。
其中，偏置电压23为直流偏置电压。通过控制偏置电压23增大，所述第一二极管211以及第二二极管212的阴极处电压值升高，进而导致所述第一二极管211以及第二二极管212的电容升高，使得两个谐振器之间产生电容耦合。
可选的，本发明实施例中的各二极管均为型号为MA46H201的变容二极管，本发明实施例中的各贴片电阻均型号为0402封装100千欧的贴片电阻。
本发明实施例中，当工作人员需要获取到相位差为90°的两个信号，使得所述目标谐振器与信号隔离段，第一设定谐振器与第二设定谐振器输出之间产生磁耦合，所述目标谐振器与第一设定谐振器，信号隔离段与第二设定谐振器之间产生电耦合，以使输入信号通过四个谐振器与四个变容电路5之间的配合，即可从第一设定谐振器及第二设定谐振器输出相位差为90°的两个信号。
具体的相邻两个谐振器之间耦合系数关系为：F12＝F34＝-F0，F13＝F24＝F0,其中F12为所述目标谐振器与外接信号隔离段的谐振器之间的耦合系数，F34为第一设定谐振器与第二设定谐振器之间的耦合系数，F13为所述目标谐振器与第一设定谐振器之间的耦合系数，F24为外接信号隔离段的谐振器与第二设定谐振器之间的耦合系数，F0为相邻两个谐振器之间产生电容耦合时的耦合系数，-F0为相邻两个谐振器之间产生电感耦合时的耦合系数。
本发明实施例中，可选的，两个目标谐振器为第一谐振器与第四谐振器，第一设定谐振器与第二设定谐振器为第二谐振器与第三谐振器。
当工作人员需要获取到相位差为180°的两个信号，通过改变所述第一消逝模谐振器10与第三消逝模谐振器30、第一消逝模谐振器10与第二消逝模谐振器20之间、第二消逝模谐振器20与第四消逝模谐振器40之间的变容电路50的电容值，使得所述第一消逝模谐振器10与第三消逝模谐振器30、第一消逝模谐振器10与第二消逝模谐振器20，第二消逝模谐振器20与第四消逝模谐振器40之间产生电耦合，第三消逝模谐振器30与第四消逝模谐振器40输出之间产生磁耦合。其中，通过第四谐振器外接输入信号，第一谐振器外接信号终端，以使输入信号通过四个谐振器与四个变容电路20之间的配合，即可从第二谐振器20及第三谐振器30输出相位差为180°的两个信号，其中两个信号的相位相反。实现本发明实施例中的环形滤波装置的巴伦滤波的功能。
当工作人员需要获取到相位差为0°的两个信号，通过改变所述第一消逝模谐振器10与第三消逝模谐振器30、第一消逝模谐振器10与第二消逝模谐振器20之间、第二消逝模谐振器20与第四消逝模谐振器40之间的变容电路50的电容值，使得所述第一消逝模谐振器10与第三消逝模谐振器30、第一消逝模谐振器10与第二消逝模谐振器20，第二消逝模谐振器20与第四消逝模谐振器40之间产生电耦合，第三消逝模谐振器30与第四消逝模谐振器40输出之间产生磁耦合。其中通过第一谐振器外接输入信号，第四谐振器外接信号终端，以使输入信号通过四个谐振器与四个变容电路之间的配合，即可从第二谐振器及第三谐振器输出与输入信号的相位相差0°的两个信号，其中两个信号的相位相同，实现本发明实施例中的环形滤波装置的功分滤波的功能。
具体的相邻两个谐振器之间耦合系数关系为：F12＝F13＝F24＝F0，F34＝-F0,其中F12为所述第一目标谐振器与第二目标谐振器之间的耦合系数，F34为第一设定谐振器与第二设定谐振器之间的耦合系数，F13为所述目标谐振器与第一设定谐振器之间的耦合系数，F24为第二目标谐振器与第二设定谐振器之间的耦合系数，F0为相邻两个谐振器之间产生电容耦合时的耦合系数，-F0为相邻两个谐振器之间产生电感耦合时的耦合系数。
可选的，本发明实施例中的混合滤波网络1还包括四个信号传输电路40；
每一个目标谐振器的另一端各经一个所述信号传输电路40外接输入信号，所述信号传输电路40用于降低信号输入的回波损耗。
每一个设定谐振器各经一个所述信号传输电路40输出信号，所述信号传输电路40还用于降低信号输出的回波损耗。
可选的，所述信号传输电路40包括共阴极的第三二极管41、第四二极管42，所述共阴极的第三二极管41、第四二极管42的阴极通过第二贴片电阻43外接偏置电压23，所述共阴极的第三二极管41、第四二极管42的阳极一端与所述谐振器10的一端连接，所述共阴极的第三二极管41、第四二极管42的阳极另一端输出信号或外接所述输入信号。
本发明实施例中谐振器10与信号输入端、信号输出端之间可以通过调节偏置电压的大小，控制谐振器10与信号输入端、信号输出端之间产生电容耦合，促进两者之间的耦合强度，进而降低信号输入或输出的回波损耗。
本发明实施例中，可选的，第三二极管41可以为标号C1、C3、C5、C7的二极管；第四二极管42可以为标号C10、C12、C14、C16的二极管；第二贴片电阻43可以为标号R5、R6、R7、R8的电阻。
请结合参阅图2，图2为本发明实施例提供的另一种混合滤波网络的结构示意图。在基板30上覆一层铜箔31，四个谐振器10通过铜箔31安装在基板30上。
其中，每一个谐振器10均为中空管状结构，每一个谐振器10的一侧均设置有一个压电制动器11，所述压电制动器11与所述谐振器10形成腔体结构。
每一个所述压电制动器11外接一个偏置电压23，以使在所述偏置电压23的作用下所述压电制动器11相对于所述谐振器10运动，影响所述腔体结构的大小，进而调节所述输入信号的中心频率。进而可以调节混合滤波网路的频率、带宽、功分比。
可选的，每一个谐振器与压电制动器11通过导电银浆粘接。
可选的，本发明实施例中的压电制动器11为陶瓷制动器。
可选的，本发明实施例中压电制动器11采用的是型号为T216-A4NO-05的压电制动器。
现有技术中，由于滤波器系统结构复杂，尺寸过大，带来显著的能量消耗，不符合当前收发前端电路小型化、集成化、低能耗的主流趋势。
本发明实施例中通过采用SIW消逝模谐振器，本发明实施例中的混合滤波网络为微波无源网络，通过在每一个谐振器的一侧均设置有一个压电制动器11，所述压电制动器与所述谐振器形成腔体结构。每一个所述压电制动器外接一个偏置电压，以使在所述偏置电压23的作用下所述压电制动器11相对于所述谐振器10运动，影响所述腔体结构的大小，进而调节所述输入信号的中心频率。以使该混合滤波网络具有灵活调节频率、带宽、功分比的功能，其中，带宽、功分比用21的电容调节，且符合当前收发前端电路小型化、集成化、低能耗的主流趋势。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的第三种混合滤波网络的结构示意图。经过设计、仿真和优化，最终确定该本发明实施例中的混合滤波网络所构成滤波器的具体尺寸如下：
基板30的较短边长度L1为45.1毫米，基板30的较长边长度L2为46.1mm毫米，基板30的高度H1为1.524毫米，谐振器10腔体的直径D1为12毫米,谐振器腔体的高H2为20微米，谐振器中电容性负载的直径D2为4mm,谐振器中微带的长度L3为2.56微米。
请参阅图4至图15。图4至图15分别显示了本发明实施例通过改变偏置电压23，变容二极管在不同容值时，各压电制动器11在不同偏压时，该混合滤波网络的S参数以及输出信号相位不平衡度的测试结果，测试结果表明本发明设计理念正确可行。
综上所述，本发明实施例提供一种混合滤波网络，所述混合滤波网络包括四个谐振器和四个变容电路；所述四个谐振器呈环状分布；每相邻两个谐振器通过一个所述变容电路连接；所述四个谐振器中的最多两个目标谐振器外接输入信号，以使所述输入信号通过所述四个谐振器和所述四个变容电路之间的配合，从第一设定谐振器处输出第一信号，从第二设定谐振器处输出第二信号；其中，所述第一设定谐振器和所述第二设定谐振器为所述四个谐振器中除所述目标谐振器以外的任意两个谐振器；所述第一信号和所述第二信号的相位不同。以使通过控制变容电路的大小，进而控制相邻两个谐振器之间的耦合方式，实现两个谐振器之间电感耦合与电容耦合切换和调节，可以灵活、便捷的获得不同相位差的两个信号，具有功分滤波、巴伦滤波以及正交滤波的功能。
进一步地，混合滤波网络还包括四个信号传输电路；每一个目标谐振器的另一端各经一个所述信号传输电路外接输入信号，所述信号传输电路用于降低信号输入的回波损耗。每一个设定谐振器各经一个所述信号传输电路输出信号，所述信号传输电路还用于降低信号输出的回波损耗。以使通过调节谐振器与信号传输电路之间的偏置电压大小，控制谐振器与信号输入端、信号输出端之间产生电容耦合，促进两者之间的耦合强度，进而降低信号输入或输出的回波损耗。
进一步地，每一个谐振器均为中空管状结构，每一个谐振器的一侧均设置有一个压电制动器，所述压电制动器与所述谐振器形成腔体结构。每一个所述压电制动器外接一个偏置电压。以使在所述偏置电压的作用下所述压电制动器相对于所述谐振器运动，影响所述腔体结构的大小，进而调节所述输入信号的中心频率。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，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 (5)

1.一种混合滤波网络，其特征在于，包括四个谐振器和四个变容电路；
所述四个谐振器呈环状分布；每相邻两个谐振器通过一个所述变容电路连接；
所述四个谐振器中的最多两个目标谐振器外接输入信号，以使所述输入信号通过所述四个谐振器和所述四个变容电路之间的配合，从第一设定谐振器处输出第一信号，从第二设定谐振器处输出第二信号；
其中，所述第一设定谐振器和所述第二设定谐振器为所述四个谐振器中除所述目标谐振器以外的任意两个谐振器；所述第一信号和所述第二信号的相位不同；
每一个谐振器均为中空管状结构，每一个谐振器的一侧均设置有一个压电制动器，所述压电制动器与所述谐振器形成腔体结构；
每一个所述压电制动器外接一个偏置电压，以使在所述偏置电压的作用下，所述压电制动器相对于所述谐振器运动，影响所述腔体结构的大小，进而调节所述输入信号的中心频率；
所述压电制动器与所述谐振器通过导电银浆连接；
所述压电制动器为压电陶瓷制动器；
所述变容电路包括变容元件，以及与所述变容元件连接的第一贴片电阻，所述变容电路通过所述第一贴片电阻远离所述变容元件的一端外接偏置电压，其中，所述变容元件与相邻两个谐振器上的一端连接。
2.根据权利要求1所述的混合滤波网络，其特征在于，所述变容元件为共阴极的第一二极管、第二二极管，所述共阴极的第一二极管、第二二极管的阴极通过第一贴片电阻外接偏置电压，所述共阴极的第一二极管、第二二极管的两个阳极分别与相邻两个谐振器上的一端连接。
3.根据权利要求1所述的混合滤波网络，其特征在于，所述混合滤波网络还包括四个信号传输电路；
每一个目标谐振器的另一端各经一个所述信号传输电路外接输入信号，所述信号传输电路用于降低信号输入的回波损耗。
4.根据权利要求3所述的混合滤波网络，其特征在于，每一个设定谐振器各经一个所述信号传输电路输出信号，所述信号传输电路还用于降低信号输出的回波损耗。
5.根据权利要求3和4任意一项所述的混合滤波网络，其特征在于，所述信号传输电路包括共阴极的第三二极管、第四二极管，所述共阴极的第三二极管、第四二极管的阴极通过第二贴片电阻外接偏置电压，所述共阴极的第三二极管、第四二极管的阳极一端与所述谐振器的一端连接，所述共阴极的第三二极管、第四二极管的阳极另一端输出信号或外接所述输入信号。
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