CN111600101A - 陷波可调的宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陷波可调的宽带滤波器，包括单层四分之一模基片集成波导谐振腔，信号金属层呈等腰直角三角形，且沿信号金属层两直角边分别设置有信号输入微带线和信号输出微带线；信号金属层靠近信号输入微带线位置处刻蚀有第一缝隙，信号金属层靠近信号输出微带线位置处刻蚀有第二缝隙，第一缝隙内设置有第一可调器件，第二缝隙内设置有第二可调器件。本发明在宽带滤波器的端口缝隙加载变容二极管，在变容二极管两端加载偏置电压，可在宽带滤波器原有宽带基础上叠加一个窄的阻带，从而引入陷波频率，通过改变变容二极管的容值可以实现陷波频率在全通带范围内的连续调节，同时利用PIN二极管起到调节频率的作用，增强了宽带滤波器的自适应能力。

Description

陷波可调的宽带滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种陷波可调的宽带滤波器。

背景技术

在美国联邦通讯委员会于2002年2月发布了超宽带这一频段的通讯标准之后,超宽带无线通信技术就因为它的数据传输速率很高、损耗很低、灵活性和机动性较好,得到了相关领域的大量关注。超宽带滤波器身为该系统中一个非常重要的元件,将对系统的性能产生重大的影响。

在日益复杂的宽带、超宽带通信中，很宽的通带内不可避免地存在着一定噪声，干扰了宽带通信的质量。因此，在宽带滤波器中常常需要在噪声频点处引入一个陡峭的阻带来抑制掉该噪声，我们通常称这样的阻带为“陷波”。陷波滤波器作为一种特殊的带阻滤波器，能够使宽带、超宽带滤波器更好地适应复杂的通信环境，因此在未来的民用及军事通信系统的射频前端发挥了重要作用。

近年来，国内外学者对加载陷波频率的宽带、超宽带微波滤波器做出一定研究。发表于“IEEE Microwave and Wireless Components Letters”上名为“Multiple BandNotched Filter Using C-Shaped and E-Shaped Resonator for UWB Appl ications”的文献中提出了一个利用E型和C型微带线和三角环形负载短谐振腔结构设计出的陷波滤波器，可在3.09–10.618GHz范围内产生三个陷波频率。发表于“IEEE Microwave andWireless Components Letters”上名为“Novel Wideband Bandpass Filter with DualNotched Bands Using Stub-Loaded Resonators”的文献中，作者利用两个加载槽线的谐振腔，设计了一款陷波滤波器，可以在宽带内产生两个固定频率的陷波。名为“Low costand compact wideband microwave notch filter based on miniaturizedcomplementary metaresonator”的文献中，利用互补圆螺旋谐振器(CCSR)设计了单个陷波频率的宽带滤波器。

但是，这些设计多是通过将产生阻带的结构和带通滤波器相结合而形成固定陷波频率，其结构比较复杂，并且缺乏动态调节因素，产生的陷波不能随噪声的变化而调节，无法灵活地消除宽带内的干扰信号。因此，国内外学者尝试对陷波频率滤波器的可调技术做出研究，例如发表于“IEEE Microwave and Wireless Components Letters”上名为“Switchable embedded notch structure for UWB bandpass filter”的文献中，作者通过控制PIN二极管的通断，来调节控制宽带内的陷波频率的出现。在全可调方面，由于带宽较宽，中心频率的调节效果有限，很难获得大范围的频率变化，因此近年来宽带、超宽带滤波器的全可调技术也是针对带宽可调和陷波频率可调，但也仍存在着陷波调节范围窄的问题，无法满足宽带系统中要求灵活消除干扰的需求，并且所加载的调节电元件数量较多，不仅增加了滤波器的体积和加工焊接难度，也在滤波过程中带来了较大的损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种陷波可调的宽带滤波器，其结构简单、设计合理，在宽带滤波器的端口缝隙加载变容二极管，在变容二极管两端加载偏置电压，可在宽带滤波器原有宽带基础上叠加一个窄的阻带，从而引入陷波频率，通过改变变容二极管的容值可以实现陷波频率在全通带范围内的连续调节，同时利用PIN二极管起到调节频率的作用，增强了宽带滤波器的自适应能力，使用效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：包括单层四分之一模基片集成波导谐振腔，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔包括介质层、设置在介质层上表面的信号金属层和镀刻在介质层下表面的接地金属层，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔是在信号金属层表面沿着基片集成波导正方形谐振腔对角线磁壁切开得到的，信号金属层呈等腰直角三角形，且沿信号金属层两直角边分别设置有信号输入微带线和信号输出微带线，所述介质层沿信号金属层斜边方向均匀分布有多个贯穿信号金属层和接地金属层的金属通孔，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔内设置有贯穿信号金属层和接地金属层的扰动孔；所述信号金属层靠近信号输入微带线位置处刻蚀有第一缝隙，所述信号金属层靠近信号输出微带线位置处刻蚀有第二缝隙，所述第一缝隙内设置有第一可调器件，所述第二缝隙内设置有第二可调器件。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述信号金属层的两直角边上分别设置有第一连接介质和第二连接介质，所述第一连接介质与第一二极管的阳极相接，第一二极管的阴极接地，所述第二连接介质与第二二极管的阳极相接，第二连接介质的阴极接地。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一连接介质和第二连接介质沿单层四分之一模基片集成波导谐振腔的对称轴对称设置。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一可调器件为第一变容二极管，所述第二可调器件为第二变容二极管，第一变容二极管和第二变容二极管的分别大小可调。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一可调器件的数量为至少一个，所述第二可调器件的数量为至少一个。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙和第二缝隙的尺寸分别可调。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙和第二缝隙沿单层四分之一模基片集成波导谐振腔的对称轴对称设置。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙和第二缝隙的缝隙形状分别为C型、L型、I型、矩型中任一种。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：相邻两个金属通孔的间距小于四分之一波长。

上述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙平行于信号输入微带线，所述第二缝隙信号金属层平行于信号输出微带线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明将全模SIW谐振腔沿对角线进行两次平均分割得到单层四分之一模基片集成波导谐振腔，其面积仅为全模SIW谐振腔的25％，并且分割得到的QMSIW谐振腔可以接近全模SIW谐振腔产生的效果，使用效果好。

3、本发明在宽带滤波器的端口缝隙加载变容二极管，通过在变容二极管两端加载偏置电压，可以在缝隙处形成特定的容值，从而产生高阻抗来抑制该频点噪声，这样就在频率响应上就形成了一个窄的阻带，该阻带与原有宽带滤波器的宽带进行叠加，产生的复合效果即为拥有陷波频率的宽带滤波器，通过调节变容二极管在一定范围的容值可以实现陷波频率在全通带范围内的连续调节，且能够保持带宽的稳定，带外抑制良好。

4、本发明在信号金属层两直角边上分别凸出一个连接介质，作为信号金属层与PIN二极管的桥梁，利用PIN二极管改变了带宽，增强了宽带滤波器的自适应能力，具有较强的带外抑制特性。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，在宽带滤波器的端口缝隙加载变容二极管，在变容二极管两端加载偏置电压，可在宽带滤波器原有宽带基础上叠加一个窄的阻带，从而引入陷波频率，通过改变变容二极管的容值可以实现陷波频率在全通带范围内的连续调节，同时利用PIN二极管起到调节频率的作用，增强了宽带滤波器的自适应能力，使用效果好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明信号金属层的结构示意图。

图3为本发明信号金属层的尺寸标注图。

图4为本发明变容二极管容值与陷波频率和无载Q值的变化关系图。

图5为本发明陷波频率仿真图。

附图标记说明:

1—信号金属层； 2—介质层； 3—接地金属层；

101—金属通孔； 102—扰动孔； 103—信号输入微带线；

104—信号输出微带线； 105—第二缝隙； 106—第一缝隙；

107—第一变容二极管； 108—第二变容二极； 109—第一连接介质；

110—第一二极管； 111—第二连接介质； 112—第二二极管。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1和图2所示，本发明包括单层四分之一模基片集成波导谐振腔，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔包括介质层2、设置在介质层2上表面的信号金属层1和镀刻在介质层下表面的接地金属层3，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔是在信号金属层1表面沿着基片集成波导正方形谐振腔对角线磁壁切开得到的，信号金属层1呈等腰直角三角形，且沿信号金属层1两直角边分别设置有信号输入微带线103和信号输出微带线104，所述介质层2沿信号金属层1斜边方向均匀分布有多个贯穿信号金属层1和接地金属层3的金属通孔101，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔内设置有贯穿信号金属层1和接地金属层3的扰动孔102。

具体实施时，本申请采用QMSIW谐振腔，并通过在介质层2上下表面分别镀刻信号金属层1和接地金属层3实现宽带滤波器。

实际使用时，宽带滤波器主体尺寸为36mm×36mm×1mm。信号输入微带线103和信号输出微带线104均采用50欧姆微带线，其长度如图3所示，均为L1，L1＝17.5mm。信号输入微带线103与信号金属层1的一个直角边平行，信号输出微带线104与信号金属层1的另一个直角边平行。

本申请的QMSIW谐振腔是将全模SIW谐振腔沿对角线进行两次平均分割，其面积仅为全模SIW谐振腔的25％，减小了体积，并且分割得到的QMSIW谐振腔可以接近全模SIW谐振腔产生的效果。分割得到的QMSIW谐振腔中信号金属层1呈等腰直角三角形，其两直角边为两个等效磁壁，斜边为一个等效电壁。金属通孔101沿斜边方向均匀分布。

实际使用时，金属通孔101直径为0.6mm。两个相邻金属通孔101的间距小于四分之一波长，优选的，两个相邻金属通孔101的间距为0.75mm。

在信号金属层1的锐角上各自切一个相同的等腰直角三角形作为微扰动方式，两个等腰直角三角形沿直角顶点到斜边的垂线对称布设。同时，在单层四分之一模基片集成波导谐振腔的对称轴上开设扰动孔102。信号金属层1斜边长度L3＝15.5mm，切去的等腰直角三角形的直角边L4＝2.8mm。

本实施例中，所述信号金属层1靠近信号输入微带线103位置处刻蚀有第一缝隙106，所述信号金属层1靠近信号输出微带线104位置处刻蚀有第二缝隙105，所述第一缝隙106内设置有第一可调器件，所述第二缝隙105内设置有第二可调器件。

信号输入微带线103和信号输出微带线104均采用50Ω微带线。信号输入微带线103和信号输出微带线104作为宽带滤波器的端口，为了加载可调器件从而在宽带内引入陷波，在两个端口位置分别开设缝隙。缝隙改变了信号金属层1电场与磁场的分布，极大地减小了滤波器的谐振频率。

需要说明的是，缝隙的长度决定着滤波器的带宽，缝隙长度越长，带宽就越窄。可以根据宽带滤波器的实际需要计算第一缝隙106和第二缝隙105的长度与宽度。第一缝隙106和第二缝隙105的长度决定了基片集成波导的小型化程度，第一缝隙106和第二缝隙105的长度和宽度分别可调，第一缝隙106和第二缝隙105的形状根据实际长度确定。如图3所示，第一缝隙106和第二缝隙105均采用矩形缝隙，第一缝隙106平行于信号输入微带线103，第二缝隙105信号金属层1平行于信号输出微带线104。第一缝隙106和第二缝隙105的长度均为L6＝1mm，第一缝隙106和第二缝隙105的宽度均为L5＝0.4mm。

实际使用时，所述第一可调器件为第一变容二极管107，所述第二可调器件为第二变容二极管108。第一可调器件的数量为至少一个，所述第二可调器件的数量为至少一个。本实施例中，第一变容二极管107的数量为1个，第二变容二极管108的数量为1个。

在宽带滤波器的端口缝隙加载变容二极管，变容二极管是一种结电容随着偏置电压变化而变化的二极管，通过在变容二极管两端加载偏置电压，可以在缝隙处形成特定的容值，从而产生高阻抗来抑制该频点噪声，这样就在频率响应上就形成了一个窄的阻带，该阻带与原有宽带滤波器的宽带进行叠加，从而引入陷波频率，宽带滤波器即为拥有陷波频率的宽带滤波器。

根据公式

可知，变容二极管的容值C与陷波频率ω呈负相关关系，通过改变变容二极管的容值C，可以改变陷波频率ω。其中变容二极管的容值C增加时，陷波频率ω减小；变容二极管的容值C减小时，陷波频率ω增加。因此通过调节变容二极管在一定范围的容值C可以实现陷波频率ω在全通带范围内的连续调节，且能够保持带宽的稳定，带外抑制良好。

如图4所示，当变容二极管的容值C在0.6～1.65pF范围内变化时，可以实现陷波频率ω在4～6.3GHz范围内连续可调，几乎覆盖了宽带滤波器的整条通带，同时滤波器无载Q值保持在313～315之间，不会发生大幅度变化。

如图5所示，横轴表示陷波频率ω，纵坐标表示回波损耗，通过调节变容二极管的容值C在0.6～1.47pF范围内变化，可以实现陷波频率ω在全通带范围内的连续调节，且能够保持带宽的稳定，带外抑制良好。本实施例中，所述信号金属层1的两直角边上分别设置有第一连接介质109和第二连接介质111，所述第一连接介质109与第一二极管110的阳极相接，第一二极管110的阴极接地，所述第二连接介质111与第二二极管112的阳极相接，第二连接介质111的阴极接地。

实际使用时，第一连接介质109和第二连接介质111用来改善滤波器通带的性能，并且作为信号金属层1与PIN二极管的桥梁。连接介质存在有无、位置变化都会影响通带的带外抑制能力。第一连接介质109和第二连接介质111的大小均可调。需要说明的是，本实施例中，第一连接介质109和第二连接介质111均呈矩形，其长度L8＝2.4mm，其宽度L7＝1.4mm。第一连接介质109和第二连接介质111与信号金属层1直角顶点的最近垂直距离L2＝6mm。

具体实施时，第一二极管110和第二二极管112均为PIN二极管。当PIN二极管连通时，造成其布设位置处电磁场扰动，从而达到调节频率的作用，起到改善滤波器通带的性能，增强了宽带滤波器的自适应能力，具有较强的带外抑制特性。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：包括单层四分之一模基片集成波导谐振腔，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔包括介质层(2)、设置在介质层(2)上表面的信号金属层(1)和镀刻在介质层下表面的接地金属层(3)，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔是在信号金属层(1)表面沿着基片集成波导正方形谐振腔对角线磁壁切开得到的，信号金属层(1)呈等腰直角三角形，且沿信号金属层(1)两直角边分别设置有信号输入微带线(103)和信号输出微带线(104)，所述介质层(2)沿信号金属层(1)斜边方向均匀分布有多个贯穿信号金属层(1)和接地金属层(3)的金属通孔(101)，所述单层四分之一模基片集成波导谐振腔内设置有贯穿信号金属层(1)和接地金属层(3)的扰动孔(102)；

所述信号金属层(1)靠近信号输入微带线(103)位置处刻蚀有第一缝隙(106)，所述信号金属层(1)靠近信号输出微带线(104)位置处刻蚀有第二缝隙(105)，所述第一缝隙(106)内设置有第一可调器件，所述第二缝隙(105)内设置有第二可调器件。

2.按照权利要求1所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述信号金属层(1)的两直角边上分别设置有第一连接介质(109)和第二连接介质(111)，所述第一连接介质(109)与第一二极管(110)的阳极相接，第一二极管(110)的阴极接地，所述第二连接介质(111)与第二二极管(112)的阳极相接，第二连接介质(111)的阴极接地。

3.按照权利要求2所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一连接介质(109)和第二连接介质(111)沿单层四分之一模基片集成波导谐振腔的对称轴对称设置。

4.按照权利要求1所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一可调器件为第一变容二极管(107)，所述第二可调器件为第二变容二极管(108)，第一变容二极管(107)和第二变容二极管(108)的分别大小可调。

5.按照权利要求4所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一可调器件的数量为至少一个，所述第二可调器件的数量为至少一个。

6.按照权利要求1所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙(106)和第二缝隙(105)的尺寸均可调。

7.按照权利要求1所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙(106)和第二缝隙(105)沿单层四分之一模基片集成波导谐振腔的对称轴对称设置。

8.按照权利要求7所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙(106)和第二缝隙(105)的缝隙形状分别包括C型、L型、I型、矩型中任一种。

9.按照权利要求1所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：相邻两个金属通孔(101)的间距小于四分之一波长。

10.按照权利要求7所述的陷波可调的宽带滤波器，其特征在于：所述第一缝隙(106)平行于信号输入微带线(103)，所述第二缝隙(105)信号金属层(1)平行于信号输出微带线(104)。

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