CN110783672B - 基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，包括顶层介质基板、底层介质基板、双模谐振器、双面平行带状线和直流偏置电路。两个双模谐振器上下对称；每个双模谐振器均包括二分之一波长谐振器、谐振器短路枝节和变容管；双面平行带状线包括平行且上下对称的两个带状线；每个带状线均包括相垂直且关于介质基板对角线Ｂ‑Ｂ＇对称的两条传输微带线；两条传输微带线的外端各形成一个平衡端口，内端相耦合；两个带状线的四个平衡端口形成两个差分端口。本发明能够在实现差模通带中心频点可调的时，实现绝对带宽基本不变；通带两边的自适应零点，提高了高选择性，同时具有良好的共模抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种平衡可调带通滤波器，特别是一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器。
背景技术
在现代无线通信系统中，平衡器件可以抑制外部噪声和系统内部噪声等共模信号的传输，因此越来越多的被应用于微波电路的设计中。滤波器是通信系统中必不可少的器件。可调带通滤波器具有体积小和重量轻等优点。具有恒定带宽的可调平衡带通滤波器具有更小的体积，而且能够有效抑制共模噪声，对于无线通信系统的发展具有重要意义。
现有的可调平衡带通滤波器需采用巴伦与平衡电路连接，故电路尺寸仍然很大，电路损耗高。
双面平行带状线是一种天然的平衡传输线，能够有效抑制共模信号传输，有利于各种平衡微波器件的设计。
因此基于双面平行带状线结构的可调带通滤波器有利于发展无线通信系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，该基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器能够在实现差模通带中心频点可调的时，实现绝对带宽基本不变；通带两边的自适应零点，提高了高选择性，同时具有良好的共模抑制效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，包括顶层介质基板、底层介质基板、双模谐振器、双面平行带状线和直流偏置电路。
顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面各设置一个双模谐振器。两个双模谐振器上下对称。每个双模谐振器均包括二分之一波长谐振器、谐振器短路枝节和变容管。
二分之一波长谐振器呈L型，具有相垂直且关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称的两条谐振器微带线。每条谐振器微带线上均设置有变容管。谐振器短路枝节的一端与二分之一波长谐振器的直角顶点相连接，另一端短路。
双面平行带状线包括平行且上下对称的两个带状线。两个带状线分别位于背离谐振器短路枝节一侧的顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面。每个带状线均包括相垂直且关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称的两条传输微带线。两条传输微带线的外端各形成一个平衡端口，内端相耦合。两个带状线的四个平衡端口形成两个差分端口。
直流偏置电路用于向二分之一波长谐振器的两条谐振器微带线以及谐振器短路枝节施加不同的直流偏置电压，从而控制变容管的容值，进而控制双模谐振器中奇偶模等效电路的长度，同时同步地调节奇偶模极点，实现差模通带中心频点的可调。
每条谐振器微带线上均设置一个变容管，每个二分之一波长谐振器中的两个变容管关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称。
谐振器短路枝节位于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇上，通过调整谐振器短路枝节的长度，进而控制奇偶模极点的距离。
直流偏置电路包括四条偏置短路枝节、一条倾斜偏置枝节和五个隔离电阻。四条偏置短路枝节分别位于顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面，各通过一个隔离电阻向两个二分之一波长谐振器的四条谐振器微带线施加直流偏置电压。倾斜偏置枝节位于顶层介质基板的上表面，通过一个隔离电阻向位于顶层介质基板上的谐振器短路枝节施加直流偏置电压。
还包括两个金属片、连接枝节和连接金属片。两个金属片和连接金属片均设置在顶层介质基板和底层介质基板之间。两个金属片分别用于连接上下位置对称的两个偏置短路枝节的短路端。倾斜偏置枝节的外端输入直流偏置电流，倾斜偏置枝节的内端通过隔离电阻与连接枝节相连，连接枝节的另一端短路，连接金属片将连接枝节的短路端与谐振器短路枝节的短路端相连接。
倾斜偏置枝节、连接枝节、连接金属片以及连接倾斜偏置枝节和连接枝节的隔离电阻均位于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇上。四个偏置短路枝节均与对应连接的谐振器微带线相垂直。
还包括平行馈线。平行馈线包括四条输入/出馈线、中间金属板和两个源与负载耦合枝节。四条输入/出馈线分别设置在双面平行带状线的四条传输微带线的外端，中间金属板位于顶层介质基板和底层介质基板之间的边缘部分，且与四条输入/出馈线位置相对应，输入/出馈线和中间金属板用于平衡端口的形成。两个负载耦合枝节分别设置在单个带状线中两条传输微带线的内端，用于耦合。
每个负载耦合枝节均包括L型耦合枝节和直线耦合枝节，L型耦合枝节和直线耦合枝节的一端各连接一条传输微带线的内端，L型耦合枝节和直线耦合枝节的另一端开路。直线耦合枝节与L型耦合枝节的其中一条边相平行。
顶层介质基板上的输入/出馈线和底层介质基板上的输入/出馈线镜像对称。
双面平行带状线中传输微带线与谐振器微带线之间的耦合长度L1和耦合宽度g1能够调整。
本发明具有如下有益效果：
1、基于双面平行带状线结构进行设计，充分利用了双面平行带状线结构抑制共模信号、传输差分信号的优势，提高了平衡可调滤波器的设计灵活度。其中差分馈电，能够与平衡电路直接连接而不必采用巴伦，避免了巴伦带来的增大电路尺寸和电路损耗的缺点。另外，
平衡可调带通滤波器对于无线通信的发展具有重要意义，本发明完成了基于双面平行带状线结构设计平衡可调带通滤波器，且具有绝对带宽不变的特性。
2、四个变容管及位置的设置，能够实现绝对带宽不变；变容管和直流偏置电路的组合，则能使得差模通带中心频点的可调，也即带宽可以预设。
3、双模谐振器其本身特性会在通带下边缘产生一个零点，源与负载耦合将会在通带上边缘产生一个零点，这两个零点提高了滤波器的选择性。
附图说明
图1是本发明一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器的三维图。
图2显示了图1的纵剖面示意图。
图3显示了图1的俯视图。
图4显示了图1的仰视图。
图5显示了本发明中源与负载耦合枝节的示意图。
图6显示了差模散射参数仿真和测试结果。
图7显示了共模散射参数仿真和测试结果。
其中有：
11.上带状线；12.下带状线；
21.上输入/出馈线；22.下输入/出馈线；23.源与负载耦合枝节；231.L型耦合枝节；232.直线耦合枝节；24.中间金属板；
31.上二分之一波长谐振器；32.下二分之一波长谐振器；33.谐振器短路枝节；
41.偏置短路枝节；32.金属片；33.倾斜偏置枝节；44.连接枝节；45.连接金属片；
C1.上微带层；C2.顶层介质板；C3.中间金属层；C4.底层介质基板；C5.下微带层。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，包括两块介质基板，分别为顶层介质基板C2和底层介质基板C4。
本发明的介质基板优选采用相对介电常数为3.38，厚度为0.813mm的RogersRO4003C。
本发明中，在顶层介质基板C2的上表面印刷有上微带层C1，在底层介质基板C4的下
表面印刷有下微带层C5；在两层介质基板之间铺设中间金属层C3。图2中的平面P为结构的纵向中间平面，也即为中间金属层C3的中间平面。
上微带层C1、中间金属层C3和下微带层C5主要包括双模谐振器、双面平行带状线、平行馈线和直流偏置电路。
顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面各设置一个双模谐振器。两个双模谐振器关于平面P上下对称。
每个双模谐振器均包括二分之一波长谐振器、谐振器短路枝节33和变容管。
位于顶层介质基板上表面的二分之一波长谐振器，称为上二分之一波长谐振器31，如图3所示；位于底层介质基板下表面的二分之一波长谐振器，称为下二分之一波长谐振器32，如图4所示。
每个二分之一波长谐振器均呈L型，具有相垂直且关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称的两条谐振器微带线。每条谐振器微带线均优选为等宽微带线，本申请中每条谐振器微带线的宽度W1优选为0.8mm。
每条谐振器微带线上均优选设置一个变容管，每个二分之一波长谐振器中的两个变容管关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称。
本申请中的变容管优选采用：型号为SMV1281 其电容值在0-13.3pF之间变化。
变容管与对应谐振器微带线开路端的距离为L3，变容管与对应谐振器微带线直角顶点的距离为L2，如图3所示。
上二分之一波长谐振器31上的两个变容管分别为变容管C1和变容管C2，下二分之一波长谐振器32上的两个变容管分别为变容管C3和变容管C4。
谐振器短路枝节的一端与二分之一波长谐振器的直角顶点相连接，另一端短路，也即开设有贯通介质基板的金属通孔。谐振器短路枝节优选位于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇上，通过调整谐振器短路枝节的长度L4，进而控制奇偶模极点的距离。
双面平行带状线包括平行且上下对称的两个带状线，两个带状线分别位于背离谐振器短路枝节一侧的顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面。
位于顶层介质基板上表面的带状线，称为上带状线11，如图3所示；位于底层介质基板下表面的带状线，称为下带状线12，如图4所示。
每个带状线均包括相垂直且关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称的两条传输微带线。两条传输微带线的外端各形成一个平衡端口，内端相耦合。
传输微带线与谐振器微带线之间的耦合长度L1和耦合宽度g1能够调整，本申请中，优选L1= 40.2mm和g1=0.2mm。耦合长度L1和耦合宽度g1能够调整，是为了通过改变平行耦合馈电的耦合区域，来满足滤波器的外部品质因数，进而得到想要的带宽。
两个带状线的四个平衡端口能形成两个差分端口。
平行馈线包括四条输入/出馈线、中间金属板24和两个源与负载耦合枝节23。
四条输入/出馈线分别设置在双面平行带状线的四条传输微带线的外端。
位于顶层介质基板上表面的两条输入/出馈线，称为上输入/出馈线21，如图3所示；位于底层介质基板下表面的输入/出馈线，称为下输入/出馈线22，如图4所示。
输入/出馈线的特性阻抗优选为50Ω，每根输入/出馈线的结构均优选为L型弯折汇聚，再L型弯折。
上输入/出馈线21和下输入/出馈线22优选关于其中一条传输微带线的中心线A-A＇呈镜像对称布设。
中间金属板位于顶层介质基板和底层介质基板之间的边缘部分，且与四条输入/出馈线位置相对应，输入/出馈线和中间金属板用于平衡端口的形成。
两根上输入/出馈线21对应的平衡端口分别为端口1和端口2，两根下输入/出馈线22对应的平衡端口分别为端口1＇和端口2＇。当端口1和端口1＇作为差分输入端口时，端口2和端口2＇则为差分输出端口，反之相反。四个平衡端口均优选采用SMA头焊接，以便接入测试或者与电路相连。
上述输入、输出信号完成了差分微带端口到双面平行带状线的转换。同时抑制了共模信号的传输。
两个负载耦合枝节分别设置在单个带状线中两条传输微带线的内端，用于耦合。
如图5所示，每个负载耦合枝节均包括L型耦合枝节231和直线耦合枝节232，L型耦合枝节和直线耦合枝节的一端各连接一条传输微带线的内端，L型耦合枝节和直线耦合枝节的另一端开路。直线耦合枝节与L型耦合枝节的其中一条边相平行，形成平行耦合。
直线耦合枝节与L型耦合枝节的平行耦合长度L5和平行耦合宽度g2能够调整，本申请中，优选L5=2.3mm和g2= 0.15mm。每个负载耦合枝节均优选为等宽微带线，本申请中负载耦合枝节的宽度W2优选为0.1mm。
上述源与负载耦合是为了引入传输零点，调整L5 和g2 是为了调整传输零点到合适的位置，从而提高滤波器的选择性。
直流偏置电路用于向二分之一波长谐振器的两条谐振器微带线以及谐振器短路枝节施加不同的直流偏置电压，从而控制变容管的容值，进而控制双模谐振器中奇偶模等效电路的长度，同时同步地调节奇偶模极点，实现差模通带中心频点的可调。
直流偏置电路优选包括四条偏置短路枝节41、两个金属片42、一条倾斜偏置枝节43、连接枝节44和连接金属片45和五个隔离电阻。
本申请中隔离电阻优选为10KΩ。
四条偏置短路枝节分别位于顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面，各通过一个隔离电阻（R1、R2、R2和R4）向两个二分之一波长谐振器的四条谐振器微带线施加直流偏置电压。四个偏置短路枝节均优选与对应连接的谐振器微带线相垂直。
两个金属片和连接金属片均设置在顶层介质基板和底层介质基板之间。两个金属片分别用于连接上下位置对称的两个偏置短路枝节的短路端，分别施加直流偏置电压V1和V2。
倾斜偏置枝节位于顶层介质基板的上表面，通过一个隔离电阻向位于顶层介质基板上的谐振器短路枝节施加直流偏置电压。
倾斜偏置枝节的外端输入直流偏置电流，倾斜偏置枝节的内端通过隔离电阻R5与连接枝节相连，连接枝节的另一端短路，连接金属片将连接枝节的短路端与谐振器短路枝节的短路端相连接。
从倾斜偏置枝节的外端输入直流偏置电流，则连接枝节短路端的直流偏置电压为V4，谐振器短路枝节短路端的直流偏置电压为V3。
上述V4和V3优选相等，设为a；V1和V2优选相等，设为b。通过改变a和b的差值，在变容管两端形成直流电压差，从而改变变容管的容值，实现可调效果。
倾斜偏置枝节、连接枝节、连接金属片以及连接倾斜偏置枝节和连接枝节的隔离电阻R5均优选位于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇上。
上述倾斜偏置枝节、连接枝节、上二分之一波长谐振器、上带状线、上输入/出馈线、位于顶层介质基板上表面上的谐振器短路枝节和两个偏置短路枝节、以及变容管（C1、C2）和隔离电阻（R1、R2和R5），形成上微带层C1。
上述两个金属片、连接金属片和中间金属板，形成中间金属层C3。
上述下二分之一波长谐振器、下带状线、下输入/出馈线、位于底层介质基板下表面上的谐振器短路枝节和两个偏置短路枝节、以及变容管（C3、C4）和隔离电阻（R3和R4），形成下微带层C5。
本发明中，通过调整谐振器短路枝节的长度L4可以控制奇偶模极点的距离，通过在双模谐振器的奇偶模等效电路的公共部分，关于谐振器短路枝节对称的加载四个变容管，可以同时同步的控制奇偶模极点，从而使双模滤波器的绝对带宽恒定。谐振器短路枝节和二分之一波长谐振器两端通过隔离电阻引出直流偏置电路，通过对直流偏置电路施加不同的电压，从而控制变容管的容值，进而控制双模谐振器奇偶模等效电路的长度，最终通过同时同步地调节奇偶模极点来完成可调性能。
上述源与负载耦合枝节，会在通带上边缘产生一个自适应的零点，双模谐振器自身会在通带下边缘产生一个零点，两个零点的存在，提高了滤波器的选择性。
如图6和图7所示，本发明可调滤波器的散射参数仿真与实测结果，仿真采用的是HFSS软件，测试采用的是Agilent网络分析仪N5230C。其中分别给出了在加载不同反向电压时，也就是不同容值时的结果。可调滤波器中心频率在1.3-1.9GHz之间可调，其3dB绝对带宽为130M±5MHz；在通带的上边缘和下边缘各产生一个自适应传输零点。该滤波器具有抑制共模信号、高选择性和带内绝对带宽不变特点。从图中可以看到仿真和实测结果吻合良好。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，其特征在于：包括顶层介质基板、底层介质基板、双模谐振器、双面平行带状线和直流偏置电路；
顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面各设置一个双模谐振器；两个双模谐振器上下对称；每个双模谐振器均包括二分之一波长谐振器、谐振器短路枝节和变容管；
二分之一波长谐振器呈L型，具有相垂直且关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称的两条谐振器微带线；每条谐振器微带线上均设置有变容管；谐振器短路枝节的一端与二分之一波长谐振器的直角顶点相连接，另一端短路；
双面平行带状线包括平行且上下对称的两个带状线；两个带状线分别位于背离谐振器短路枝节一侧的顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面；每个带状线均包括相垂直且关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称的两条传输微带线；两条传输微带线的外端各形成一个平衡端口，内端相耦合；两个带状线的四个平衡端口形成两个差分端口；
直流偏置电路用于向二分之一波长谐振器的两条谐振器微带线以及谐振器短路枝节施加不同的直流偏置电压，从而控制变容管的容值，进而控制双模谐振器中奇偶模等效电路的长度，同时同步地调节奇偶模极点，实现差模通带中心频点的可调；
每条谐振器微带线上均设置一个变容管，每个二分之一波长谐振器中的两个变容管关于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇对称；
直流偏置电路包括四条偏置短路枝节、一条倾斜偏置枝节和五个隔离电阻；四条偏置短路枝节分别位于顶层介质基板的上表面和底层介质基板的下表面，各通过一个隔离电阻向两个二分之一波长谐振器的四条谐振器微带线施加直流偏置电压；倾斜偏置枝节位于顶层介质基板的上表面，通过一个隔离电阻向位于顶层介质基板上的谐振器短路枝节施加直流偏置电压；
还包括两个金属片、连接枝节和连接金属片；两个金属片和连接金属片均设置在顶层介质基板和底层介质基板之间；两个金属片分别用于连接上下位置对称的两个偏置短路枝节的短路端；倾斜偏置枝节的外端输入直流偏置电流，倾斜偏置枝节的内端通过隔离电阻与连接枝节相连，连接枝节的另一端短路，连接金属片将连接枝节的短路端与谐振器短路枝节的短路端相连接；
还包括平行馈线；平行馈线包括四条输入/出馈线、中间金属板和两个源与负载耦合枝节；四条输入/出馈线分别设置在双面平行带状线的四条传输微带线的外端，中间金属板位于顶层介质基板和底层介质基板之间的边缘部分，且与四条输入/出馈线位置相对应，输入/出馈线和中间金属板用于平衡端口的形成；两个负载耦合枝节分别设置在单个带状线中两条传输微带线的内端，用于耦合。
2.根据权利要求1所述的基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，其特征在于：谐振器短路枝节位于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇上，通过调整谐振器短路枝节的长度，进而控制奇偶模极点的距离。
3.根据权利要求1所述的基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，其特征在于：倾斜偏置枝节、连接枝节、连接金属片以及连接倾斜偏置枝节和连接枝节的隔离电阻均位于介质基板对角线Ｂ-Ｂ＇上；四个偏置短路枝节均与对应连接的谐振器微带线相垂直。
4.根据权利要求1所述的基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，其特征在于：每个负载耦合枝节均包括L型耦合枝节和直线耦合枝节，L型耦合枝节和直线耦合枝节的一端各连接一条传输微带线的内端，L型耦合枝节和直线耦合枝节的另一端开路；直线耦合枝节与L型耦合枝节的其中一条边相平行。
5.根据权利要求1所述的基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，其特征在于：顶层介质基板上的输入/出馈线和底层介质基板上的输入/出馈线镜像对称。
6.根据权利要求1所述的基于双面平行带状线结构的平衡可调双模带通滤波器，其特征在于：双面平行带状线中传输微带线与谐振器微带线之间的耦合长度L1和耦合宽度g1能够调整。
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| Compact dual-mode dual-band balun filter using double-sided parallel-strip line;W. Jiang et al.;《ELECTRONICS LETTERS》;20121011;第48卷(第21期);全文 * |
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