CN112087218B - 一种基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，包括两段输入输出馈线、两个相同的双谐振滤波器单元以及连接两单元的微带线。其中每个滤波器单元由两个不同的单端口SAW谐振器组成，两个谐振器之间设有电容进行耦合，接地的2个电感并联于耦合电容两端，2个变容二极管及其偏置电路并联连接到SAW谐振器端口与输入输出馈线连接处。通过控制变容二极管的反向偏压来实现连续的双阻带带宽可调。本发明提出了一种新的基于声表面波谐振器的拓扑结构，具有结构紧凑，实现简便的优点。使用声表面波谐振器与集总元件混合设计方法，使得工作带宽显著宽于传统梯形、晶格型SAW滤波器，并且具有阻带衰减高的特点。实现了带宽的连续可调，成本低。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器。
背景技术
在无线电通信技术中，滤波器作为射频和微波电路中重要的选频器件，在通信系统中主要用于信号的分离与抑制，其性能将直接影响到系统的正常工作。随着无线通信技术的飞速发展，如何有效利用拥挤的射频频谱并满足系统多频段、多标准的要求已成为亟待解决的问题。无线通信系统的实际使用当中通常需要具有可调功能的滤波器，在无法预测的干扰环境中运行，以提取所需信号，同时灵活地抑制不需要的干扰源。因此，具有紧凑的体积、高阻带衰减、高选择性和可重构响应的带阻滤波器在滤波器的研究中受到越来越多人的关注。
近年来，声表面波(SAW)技术因其高品质因数(Q)，低插入损耗和紧凑的体积而被运用到RF前端架构当中。然而只有极少数工作聚焦在使用声表面波谐振器来实现带宽可调的带阻滤波器。Dimitra Psychogiou通过将SAW谐振器与集总元件的组合实现了带宽可调的带阻滤波器，但是其实现结构较为复杂，元器件个数较多且尺寸较大，同时性能较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，以满足无线通信系统的中可重构滤波器在不可预测的环境下抑制干扰的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，包括两段输入输出馈线、两个相同的双谐振滤波器单元以及连接两单元的微带线。其中每个滤波器单元由两个不同的单端口SAW谐振器组成，两个谐振器之间设有电容进行耦合，接地的2个电感并联于耦合电容两端，2个变容二极管及其偏置电路并联连接到SAW谐振器端口与输入输出馈线连接处。通过控制变容二极管的反向偏压来实现连续的双阻带带宽可调。
进一步地，其具体设计方法为：将SAW谐振器的BVD等效模型与LC集总元件结合，得到该结构的奇偶模等效电路，计算出奇偶模输入导纳，从而推导出该结构零、极点的分布，使用上述参数值按照上述结构进行建模，进行电磁仿真优化，以达到满足要求的性能效果。
进一步地，设计中变容二极管选择Skyworks公司的SMV-1232，其偏置电路选用33pF电容作为隔直器，180nH电感用来减小射频信号泄露。
进一步地，所述滤波器的介质基板材料为泰州旺灵F4BM-2，介电常数为2.65，损耗角为0.003,基板厚度为1mm，铜厚为35μm。
进一步地，当变容二极管反向偏压V1-V4在0-15V变动时，其容值在4.15-0.72pF间变动，且随着反向偏压的减小，该双带带阻滤波器的带宽增大。
本发明原理在于：通过SAW谐振器与集总元件的混合设计提升带宽，并引入可变电容实现零极点的重分配实现带宽的连续可调。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器与现有技术相比，具有以下优势：
(1)本发明提出了一种新的基于声表面波谐振器的拓扑结构，具有结构紧凑，实现简便的优点。
(2)本发明使用声表面波谐振器与集总元件混合设计方法，使得工作带宽显著宽于传统梯形、晶格型SAW滤波器，并且具有阻带衰减高的特点。
(3)本发明实现了带宽的连续可调，将变容二极管集成为可调元件，成本低，易于调节。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器电路原理图；
图2为本发明实施例采用的Butterworth Van-Dyke(BVD)等效电路；
图3为本发明实施例中单谐振单元的等效奇、偶模电路；
图4为本发明实施例中单谐振单元不同Cs值下的理想频率响应；
图5为本发明实施例中二阶双带带阻滤波器不同Cs值下的理想传输响应；
图6为本发明实施例中基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器电路布局；
图7为本发明实施例仿真与测试结果对比图；
图8为本发明实施例三种偏压下传输响应测试结果图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明实施例进行详细说明。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，其较佳的具体实施方式是：
图1阐述了基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器原理，其组成包括2个相同的双谐振滤波器单元，它们通过一段50Ω传输线串联。每个滤波器单元由两个不同的单端口SAW谐振器组成，其中两个谐振器之间设有电容Ce进行耦合，另外有接地的2个电感Ls1、Ls2和2个可变电容Cs1、Cs2并联连接到SAW谐振器输入、输出端口处，通过改变Cs1、Cs2的值来实现带宽的连续可调。
Butterworth Van-Dyke(BVD)等效电路常用来描述声表面波谐振器，如图2所示。其中，Cp为静态电容，Lm为动态电感，Cm为动态电容，产生的传递函数具有一个串联谐振频率fs和一个并联反谐振频率fa。其中声表面波的机电耦合系数kt 2＝1-fs 2/fp 2，它限制着滤波器所能实现的最大带宽，通常来说晶格或梯形结构声表面波滤波器分数带宽限制于0.4-0.8kt 2。
当实施例中的双谐振滤波器单元中的SAW1＝SAW2，Ls1＝Ls2，Cs1＝Cs2时，该单元构成一个单谐振滤波器单元。由于电路结构对称，可以采用奇偶模分析方式对其进行分析，电路图3为该单谐振单元的等效奇、偶模电路，根据图3分别计算出奇偶模输入导纳如下：
其中，M＝Cp+Cm-ω2LmCmCp,N＝1-ω2LmCm,P＝1-2ω2LsCe，Cp、Lm、Cm分别为BVD等效电路中的静态电容、动态电感与动态电容，Ls为单元中接地电感，Ce为耦合电容，Cs为并联在谐振器端口处的接地电容。
传输极点可由Im(Yine)＝0和Im(Yino)＝0计算得出，而传输零点由Yine＝Yino确定。根据零、极点的分布可以得出：此结构产生了一个以fa为中心的高Q值陷波响应。
在保持Ls和Ce不变的情况下，不同的Cs值会通过传输极点的重新分配而影响带宽，如图4所示，其中fc＝fa。因此该单谐振滤波器单元可以在中心陷波频率保持不变的情况下实现带宽的连续调谐，分数带宽显著增加(大于kt 2)，并且随着带宽的增加陷波深度增大。
将该设计方法扩展至双谐振滤波器单元，设计方法类似。通过调整外部集总元件Ls1、Ls2和Ce的值，可以适当地选择反射零点的位置。因此产生了两个高Q值带阻响应，中心频率分别为两种谐振器的反谐振器频率fa1，fa2。图5展示了理论上二阶的双带带阻滤波器的传输响应，其中fc＝(fa1+fa2)/2，并且通过调整Cs1和Cs2的值，可以实现两个带宽的连续调谐。理论上，下阻带的分数带宽在1.50-4.21kt 2之间调谐，上阻带分数带宽在0.89-3.47kt 2之间调谐。相比单个滤波器单元，二阶滤波器级联的陷波深度明显增大，且实现了双带阻带宽的同步连续可调，该结果验证了该设计方法的可扩展性(包括频带数与阶数的扩展)。
本发明的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，将声表面波谐振器与集总元件结合，具有结构简单、实现简便、带宽大、陷波深度宽并且带宽易调节的特点。
具体实施例：
如图6所示，本实施例提供一种基于声表面波器的二阶连续可调双带带阻滤波器。包括两段输入输出馈线、两个相同的双谐振滤波器单元以及连接两单元的微带线Z0。其中每个滤波器单元由两个不同的单端口SAW谐振器组成，两个谐振器之间设有电容Ce进行耦合，接地的2个电感Ls1、Ls2并联于耦合电容两端，2个变容二极管D1及其偏置电路L1、C1并联连接到SAW谐振器端口与输入输出馈线连接处。
在本实施例中，声表面波谐振器选择Murata公司的RO3164A，RO3144E-1，其BVD等效模型设计参数分别为：Cp＝1.8pF,Lm＝16.71μH,Cm＝2.01fF,kt 2≈0.13％，中心频率位于868.5MHz；Cp＝2.1pF,Lm＝15.31μH,Cm＝1.97fF,kt 2≈0.11％，中心频率位于916.5MHz。
本实施例选用泰州旺灵的F4BM-2基板，介电常数为2.65，基板厚度为1mm，损耗角正切为0.003，铜厚为35μm。计算得到50Ω的输入输出馈线与连接线Z0宽度为2.68mm。
本发明中变容元件优选变容二极管，由于变容二极管成本低，尺寸小，便于控制、集成。本实施例中变容二极管D1选择Skyworks公司的SMV-1232，其偏置电路选用33pF电容C1作为隔直器，180nH电感L1用来减小射频信号泄露。
确定声表面波谐振器与变容二极管型号后，需在HFSS内进行建模，并借助电磁仿真对滤波器参数进行优化以确定耦合电容Ce与接地电感Ls1、Ls2的参数，方便元件选型。
制作了实体基于声表面波器的二阶连续可调双带带阻滤波器，利用矢量网络分析仪测试该滤波器。测试结果参看图7、图8。当变容二极管反向偏压V1-V4在0-15V变动时，其容值在4.15-0.72pF间变动。基于声表面波的带宽连续可调双带BSF的性能特点如下：
下阻带：中心频率为868.7MHz,分数带宽在1.06-3.27kt 2之间调谐，最大带内隔离(ISmax)>32dB。上阻带：中心频率为916.7MHz,分数带宽在0.89-2.62kt 2之间调谐，最大带内隔离(ISmax)>30dB。此外，测量得到两个阻带之间的插入损耗约为1.7dB。
测试结果中响应出现了一些不必要的波纹是由于声表面波谐振器自身的寄生模特性。总体而言，基于声表面波谐振器的双频连续带宽可调带阻滤波器具有设计方法简单有效、性能良好、结构紧凑、调节方式简单等特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，其特征在于：包括两段输入输出馈线、两个相同的双谐振滤波器单元以及连接两单元的微带线，其中每个双谐振滤波器单元由两个不同的单端口SAW谐振器组成，两个谐振器之间设有电容进行耦合，接地的2个电感并联于耦合电容两端，2个变容二极管及其偏置电路并联连接到SAW谐振器端口与输入输出馈线连接处，通过控制变容二极管的反向偏压来实现连续的双阻带带宽可调；
将SAW谐振器的BVD等效模型与LC集总元件结合，得到该双谐振滤波器单元的电路结构的奇偶模等效电路，计算出奇偶模输入导纳如下：
其中，M＝Cp+Cm-ω2LmCmCp,N＝1-ω2LmCm,P＝1-2ω2LsCe，Cp、Lm、Cm分别为BVD等效电路中的静态电容、动态电感与动态电容，Ls为单元中接地电感，Ce为耦合电容，Cs为并联在谐振器输入端口处的接地电容；
进一步计算推导得出该结构零、极点的分布，使用上述参数值按照上述结构进行建模，进行电磁仿真优化，从而达到满足要求的性能效果。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，其特征在于：变容二极管选择Skyworks公司的SMV-1232，其偏置电路选用33pF电容作为隔直器，180nH电感用来减小射频信号泄露。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，其特征在于：所述滤波器的介质基板材料为泰州旺灵F4BM-2，介电常数为2.65，损耗角为0.003，基板厚度为1mm，铜厚为35μm。
4.根据权利要求1所述的基于声表面波谐振器的连续可调双带带阻滤波器，其特征在于：当变容二极管反向偏压V1-V4在0-15V变动时，其容值在4.15-0.72pF间变动，且随着反向偏压的减小，该双带带阻滤波器的带宽增大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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