CN112216939A - 一种滤波器装置及实现滤波功分和双工器功能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明记载了一种滤波器装置及实现滤波功分和双工器功能的方法，用于实现双工器和滤波功分网络功能的切换，双工器功能可实现收或发通带频率独立可调，滤波功分功能通带可重构，所述滤波器装置包括介质基板，介质基板上中心对称设置四个谐振器，相邻谐振器之间通过背靠背串联的变容二极管连接，变容二极管阴极加载电压源，通过改变电压值，达到调节滤波网络谐振器之间的耦合作用，通过改变电压值以及耦合系数，实现滤波功分功能或独立通道可控双工器功能。

Description

一种滤波器装置及实现滤波功分和双工器功能的方法

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，涉及双工器和功分滤波技术，具体涉及一种滤波器装置及实现滤波功分和双工器功能的方法。

背景技术

5G高速的通信速率和巨大通讯容量推动了射频前端技术不断升级，以满足庞大增长的市场需求，由于5G终端设计日趋复杂，作为移动通信系统的核心组件之一，负责将手机发射和接收的无线电信号从不同频段中分离出来的滤波器与双工器数量呈指数式上升。为了减小通信系统体积和成本，多通道可重构技术和双工器技术在通信系统中变得越来越重要。传统的收发系统中，接收和发送信道使用一个固定的双工器和一个开关天线阵列来预选通带。由于双工器数量多，开关天线阵列体积大，整个系统将会占用较大体积，花费很高成本，且滤波器功能单一，中心频率不可控。

发明内容

本发明为解决现有技术中的双工器数量多，占用体积大，成本高且滤波器功能单一，中心频率不可控的问题，提出一种滤波器装置。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种滤波器装置，包括一方形介质基板，所述介质基板上设置有四个谐振器，分别为第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器及第四谐振器，所述谐振器以介质基板的板面中心点为原点中心对称设置；每个所述谐振器的各通过电容性负载加入两个枝节，相邻谐振器之间的单个枝节通过变容二极管连接。

进一步的，所述介质基板上还设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口为一Y形输入端口，所述Y形输入端口的两枝丫分别连接第一谐振器和第二谐振器；所述第二端口和第三端口为输出端口，分别连接第三谐振器和第四谐振器。

进一步的，所述Y形输入端口与第一谐振器的连接段背靠背串联有变容二极管C1和变容二极管C2，所述C1和C2阴极加载直流偏置电压源，所述电压源与变容二极管C1、C2之间由100kΩ贴片电阻R1连接；所述Y形输入端口与第二谐振器的连接段背靠背串联有变容二极管C3和变容二极管C4，所述C3和C4阴极加载直流偏置电压源，所述电压源与变容二极管C3、C4之间由100kΩ贴片电阻R2连接。

进一步的，所述第二端口连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导一侧背靠背串联有变容二极管C5和变容二极管C6，所述C5、C6阴极加载直流偏置电压源，电压源与变容二极管C5、C6之间由100kΩ贴片电阻R3连接；所述第三端口连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导一侧背靠背串联有变容二极管C7和变容二极管C8，所述C7、C8阴极加载直流偏置电压源，电压源与变容二极管C7、C8之间由100kΩ贴片电阻R4连接。

进一步的，所述第一谐振器和第二谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C9和变容二极管C10，所述C9、C10背靠背串联，C9、C10阴极加载反向偏置电压源，电压源与C9、C10之间由100kΩ贴片电阻R5连接；所述第二谐振器和第三谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C11和变容二极管C12，所述C11、C12背靠背串联，C11、C12阴极加载反向偏置电压源，电压源与C11、C12之间由100kΩ贴片电阻R6连接；所述第三谐振器和第四谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C13和变容二极管C14，所述C13、C14背靠背串联，C13、C14阴极加载反向偏置电压源，电压源与C13、C14之间由100kΩ贴片电阻R7连接；所述第四谐振器和第一谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C15和变容二极管C16，所述C15、C16背靠背串联，C15、C16阴极加载反向偏置电压源，电压源与C15、C16之间由100kΩ贴片电阻R8连接。

进一步的，所述介质基板上覆有一层铜箔，铜箔上对应介质基板的四个谐振器位置设置有四个压电致动器，分别为第一压电致动器、第二压电致动器、第三压电致动器及第四压电致动器，在压电致动器上方加偏执电压使压电致动器上下致动。

本发明还提供一种滤波功分功能的实现方法，基于以上所述的滤波器装置实施，实施步骤包括：

通过调节电压值，使得第二谐振器与第三谐振器之间的耦合相等且第一谐振器与第四谐振器之间的耦合相等，由于对称拓扑，产生功分输出；通过调节电压值，使得第一谐振器与第二谐振器之间产生零耦合，第三谐振器与第四谐振器之间产生零耦合，即耦合系数关系为：K₁₂＝K₃₄＝0，实现第二端口和第三端口良好隔离，第二端口和第三端口输出带通滤波性能，而且通带频率独立可调，此时第二端口和第三端口为隔离状态，实现滤波功分功能。

本发明还提供一种独立通道可控双工器功能的实现方法，基于以上所述的滤波器装置实施，实施步骤包括：

通过调节电压值，使得第一谐振器与第二谐振器之间、第二谐振器与第三谐振器之间、第三谐振器和第四谐振器之间、第一谐振器和第四谐振器之间均产生零耦合，即耦合系数关系为：K12＝K23＝K34＝K14＝0，从而使第一端口输入的信号一路通过第一谐振器到第三谐振器的耦合，并由第二端口输出，另一路通过第二谐振器到第四谐振器的耦合，并由第三端口输出，两路信号输出带通滤波性能，且通带工作频率独立可调，实现独立通道可控双工器功能。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的滤波器装置，结构设计较为巧妙，通过电压值的调节，即可分别实现滤波功分和双工器两种功能，并且实现中心频率可控，相对于现有技术方案，不占用较大的体积，成本得到进一步降低。

附图说明

图1为本发明实施例的滤波器装置三维透视结构图；

图2为本发明一种滤波器装置在俯视透视下的底面电路图案；

图3为本发明一种滤波器装置装配压电致动器示意图；

图4为本发明滤波功分耦合拓扑图；

图5为本发明滤波器装置滤波功分网络S参数测试图；

图6为本发明滤波器装置双工器功能的S参数测试图。

附图中的标号如下：

1、第一谐振器；2、第二谐振器；3、第三谐振器；4、第四谐振器；5、第一端口；6、第二端口；7、第三端口；8、第一压电致动器；9、第二压电致动器；10、第三压电致动器；11、第四压电致动器；12、金属化通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

参阅图1-4所示，本发明提供如下实施例：

一种滤波器装置，包括一方形介质基板，所述介质基板上设置有四个谐振器，分别为第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3及第四谐振器4，所述谐振器以介质基板的板面中心点为原点中心对称设置；每个所述谐振器通过电容性负载加入两个枝节，相邻谐振器之间的单个枝节通过变容二极管连接。作为进一步的优选，所述介质基板上还设置有三个端口，分别为第一端口5、第二端口4和第三端口7，其中第一端口为一Y形(相当于T型结)输入端口，所述Y形输入端口的两枝丫分别连接第一谐振器1和第二谐振器2；所述第二端口5和第三端口6为输出端口，分别连接第三谐振器3和第四谐振器4。再进一步优选的，所述Y形输入端口与第一谐振器1的连接段背靠背串联有变容二极管C1和变容二极管C2，所述C1和C2阴极加载直流偏置电压源，所述电压源与变容二极管C1、C2之间由100kΩ贴片电阻R1连接；所述Y形输入端口与第二谐振器2的连接段背靠背串联有变容二极管C3和变容二极管C4，所述C3和C4阴极加载直流偏置电压源，所述电压源与变容二极管C3、C4之间由100kΩ贴片电阻R2连接。

可以理解的是，上述方案中，每个谐振器通过电容性负载加入直接并在枝节处设置通孔连接到背面加载变容二极管，可实现级间电耦合与磁耦合抵消，实现零耦合。第一端口的Y形输入端口一分为二，两个枝丫分别背靠背串联变容二极管C1和C2、C3和C4；且在C1和C2、C3和C4的阴极加载直流偏置电压源，通过改变电压值，可达到调节滤波网络输入端匹配的作用。如图3为本发明滤波功分耦合拓扑图，其中P1、P2和P3表示端口，K12、K13、K14、K23、K24、K34分别表示相邻两个谐振器之间的耦合系数，Q_e1、Q_e2、Q_e3、Q_e4分别表示对应端口的外部品质因数，E₁、E₂分别为Y形输入端口的主干线路和两个枝丫的电长度，Z₀为Y形输入端口的主干线路和两个枝丫的特征阻抗。

作为可选实施例的一种，所述第二端口6连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导一侧背靠背串联有变容二极管C5和变容二极管C6，所述C5、C6阴极加载直流偏置电压源，电压源与变容二极管C5、C6之间由100kΩ贴片电阻R3连接；所述第三端口7连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导一侧背靠背串联有变容二极管C7和变容二极管C8，所述C7、C8阴极加载直流偏置电压源，电压源与变容二极管C7、C8之间由100kΩ贴片电阻R4连接。可以理解的是，第二端口连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导背靠背串联变容二极管C5和C6，C5、C6阴极加载直流偏置电压源，通过改变电压值，可达到调节滤波网络输出端外部耦合的作用。第三端口连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导背靠背串联变容二极管C7和C8，C7、C8阴极加载直流偏置电压源，通过改变电压值，可达到调节滤波网络输出端外部耦合的作用。

作为可选实施例的一种，参阅图1和图2所示，图2中未示意出图1中的金属化通孔12，所述第一谐振器1和第二谐振器2相邻的枝节处通过一金属化通孔12连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C9和变容二极管C10，所述C9、C10背靠背串联，C9、C10阴极加载反向偏置电压源，电压源与C9、C10之间由100kΩ贴片电阻R5连接。可以理解的是，通过C9、C10阴极加载的反向偏置电压源改变电压值，可达到调节滤波网络第一谐振器和第二谐振器间耦合的作用。

作为可选实施例的一种，所述第二谐振器2和第三谐振器3相邻的枝节处通过一金属化通孔12连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C11和变容二极管C12，所述C11、C12背靠背串联，C11、C12阴极加载反向偏置电压源，电压源与C11、C12之间由100kΩ贴片电阻R6连接。可以理解的是，通过C11、C12阴极加载的反向偏置电压源改变电压值，可达到调节滤波网络第二谐振器和第三谐振器间耦合的作用。

作为可选实施例的一种，所述第三谐振器3和第四谐振器4相邻的枝节处通过一金属化通孔12连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C13和变容二极管C14，所述C13、C14背靠背串联，C13、C14阴极加载反向偏置电压源，电压源与C13、C14之间由100kΩ贴片电阻R7连接。可以理解的是，通过C13、C14阴极加载的反向偏置电压源改变电压值，可达到调节滤波网络第三谐振器和第四谐振器间耦合的作用。

作为可选实施例的一种，所述第四谐振器4和第一谐振器1相邻的枝节处通过一金属化通孔12连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C15和变容二极管C16，所述C15、C16背靠背串联，C15、C16阴极加载反向偏置电压源，电压源与C15、C16之间由100kΩ贴片电阻R8连接。可以理解的是，通过C15、C16阴极加载的反向偏置电压源改变电压值，可达到调节滤波网络第四谐振器和第一谐振器间耦合的作用。

作为可选实施例的一种，所述介质基板上覆有一层铜箔，铜箔上对应介质基板的四个谐振器位置设置有四个压电致动器，分别为第一压电致动器8、第二压电致动器9、第三压电致动器10及第四压电致动器11，在压电致动器上方加偏执电压使压电致动器上下致动。可以理解的是，通过在压电致动器上方加偏置电压使压电致动器上下致动，可达到调节谐振器谐振频率的目的。

本发明实施例还提供一种滤波功分功能的实现方法，可基于以上实施例所述的滤波器装置实施，结合图1-3所示进行说明，本实施例的滤波功分功能的实现方法包括步骤：通过调节选取合适的电压值，使得第二谐振器2与第三谐振器3之间的耦合相等且第一谐振器1与第四谐振器4之间的耦合相等，由于对称拓扑，产生功分输出；通过选取合适的电压值，使得第一谐振器1与第二谐振器2之间产生零耦合，第三谐振器3与第四谐振器4之间产生零耦合，即耦合系数关系为：K₁₂＝K₃₄＝0，实现第二端口6和第三端口7良好隔离，第二端口6和第三端口7输出带通滤波性能，而且通带频率独立可调，此时第二端口6和第三端口7为隔离状态，实现滤波功分功能。

作为一种具体的，在需要实现滤波功分功能时，可通过同时调节第一压电致动器8、第二压电致动器9、第三压电致动器10及第四压电致动器11偏置电压，实现滤波功分频率可调功能。在频率变化的同时，通过变容二极管的调节使K₁₂＝K₃₄＝0。

本发明实施例还提供一种独立通道可控双工器功能的实现方法，可基于以上实施例所述的滤波器装置实施，结合图1-3所示进行说明，本实施例的独立通道可控双工器功能的实现方法包括步骤：通过调节选取合适的电压值，使得第一谐振器1与第二谐振器2之间、第二谐振器2与第三谐振器3之间、第三谐振器3和第四谐振器4之间、第一谐振器1和第四谐振器4之间产生零耦合，即耦合系数关系为：K₁₂＝K₂₃＝K₃₄＝K₁₄＝0，从而使第一端口5输入的信号一路通过第一谐振器1到第三谐振器3的耦合，并由第二端口6输出，另一路通过第二谐振器2到第四谐振器4的耦合，并由第三端口7输出，两路信号输出带通滤波性能，而且通带工作频率独立可调，实现独立通道可控双工器功能。

作为一种具体的，在需要实现独立通道可控滤波双工器功能时，可同时调节第一压电致动器8和第三压电致动器10的偏置电压或同时调节第二压电致动器9和第四压电致动器11的偏置电压，实现第一谐振器1到第三谐振器3或第二谐振器2到第四谐振器4通道独立频率可调功能；在频率变化的同时，通过变容二极管的调节使K₁₂＝K₂₃＝K₃₄＝K₁₄＝0。

可以理解的是，在独立通道可控滤波双工器模式和滤波功分网络功能不同的模式下，可通过调节偏置电压来调节每个端口的外部耦合电容，即调节变容二极管C1-C8，使每个模式的输入输出端口达到最佳匹配。

下面为基于以上实施例做的一个实际测试，介质基板选用Rogers4350B，基板厚度为60mil，输入端口和输出端口分别焊接SMA接头；变容二极管均选用Macom公司的MA46H201型号变容二极管，贴片电阻均采用0402封装贴片电阻；压电致动器采用Piezo公司的T216-A4NO-05型号。图5、图6示出了通过改变直流偏置电压，变容二极管在不同容值，压电致动器在不同偏压时，本发明滤波装置S参数测试结果，其中横坐标为频率，纵坐标为幅度；以图5中为例，中心频率为1.85GHz、2.04GHz、2.33GHz、2.49GHz，依次对应加载到变容二极管C1-C8的电压值为3.5V、5.5V、9.5V、20V；C9-C16加载的电压值为2.2V、3.3V、4.5V、11.5V。由图5、图6的测试结果表明本发明的滤波装置设计理念正确可行，可有效实现滤波功分和双工器功能。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”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，仅是为了使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，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种滤波器装置，包括一方形介质基板，其特征在于，所述介质基板上设置有四个谐振器，分别为第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器及第四谐振器，所述谐振器以介质基板的板面中心点为原点中心对称设置；每个所述谐振器通过电容性负载加入两个枝节，相邻谐振器之间的单个枝节通过变容二极管连接。

2.根据权利要求1所述的一种滤波器装置，其特征在于，所述介质基板上还设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口为一Y形输入端口，所述Y形输入端口的两枝丫分别连接第一谐振器和第二谐振器；

所述第二端口和第三端口为输出端口，分别连接第三谐振器和第四谐振器。

3.根据权利要求2所述的一种滤波器装置，其特征在于，所述Y形输入端口与第一谐振器的连接段背靠背串联有变容二极管C1和变容二极管C2，所述C1和C2阴极加载直流偏置电压源，所述直流偏置电压源与变容二极管C1、C2之间由100kΩ贴片电阻R1连接；

所述Y形输入端口与第二谐振器的连接段背靠背串联有变容二极管C3和变容二极管C4，所述C3和C4阴极加载直流偏置电压源，所述直流偏置电压源与变容二极管C3、C4之间由100kΩ贴片电阻R2连接。

4.根据权利要求2所述的一种滤波器装置，其特征在于，所述第二端口连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导一侧背靠背串联有变容二极管C5和变容二极管C6，所述C5、C6阴极加载直流偏置电压源，直流偏置电压源与变容二极管C5、C6之间由100kΩ贴片电阻R3连接；

所述第三端口连接特性阻抗50Ω共面波导，50Ω共面波导一侧背靠背串联有变容二极管C7和变容二极管C8，所述C7、C8阴极加载直流偏置电压源，直流偏置电压源与变容二极管C7、C8之间由100kΩ贴片电阻R4连接。

5.根据权利要求1所述的一种滤波器装置，其特征在于，所述第一谐振器和第二谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C9和变容二极管C10，所述C9、C10背靠背串联，C9、C10阴极加载反向偏置电压源，直流偏置电压源与C9、C10之间由100kΩ贴片电阻R5连接；所述第二谐振器和第三谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C11和变容二极管C12，所述C11、C12背靠背串联，C11、C12阴极加载反向偏置电压源，直流偏置电压源与C11、C12之间由100kΩ贴片电阻R6连接；所述第三谐振器和第四谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C13和变容二极管C14，所述C13、C14背靠背串联，C13、C14阴极加载直流偏置电压源，电压源与C13、C14之间由100kΩ贴片电阻R7连接；所述第四谐振器和第一谐振器相邻的枝节处通过一通孔连接到所述介质基板的背面加载变容二极管C15和变容二极管C16，所述C15、C16背靠背串联，C15、C16阴极加载直流偏置电压源，电压源与C15、C16之间由100kΩ贴片电阻R8连接。

6.根据权利要求1所述的一种滤波器装置，其特征在于，所述介质基板上覆有一层铜箔，铜箔上对应介质基板的四个谐振器位置设置有四个压电致动器，分别为第一压电致动器、第二压电致动器、第三压电致动器及第四压电致动器，在压电致动器上方加偏执电压使压电致动器上下致动。

7.一种滤波功分功能的实现方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的滤波器装置实施，实施步骤包括：

通过调节电压值，使得第二谐振器与第三谐振器之间的耦合相等且第一谐振器与第四谐振器之间的耦合相等，由于对称拓扑，产生功分输出；通过调节电压值，使得第一谐振器与第二谐振器之间产生零耦合，第三谐振器与第四谐振器之间产生零耦合，即耦合系数关系为：K₁₂＝K₃₄＝0，实现第二端口和第三端口良好隔离，第二端口和第三端口输出带通滤波性能，而且通带频率独立可调，此时第二端口和第三端口为隔离状态，实现滤波功分功能。

8.一种独立通道可控双工器功能的实现方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的滤波器装置实施，实施步骤包括：

通过调节电压值，使得第一谐振器与第二谐振器之间、第二谐振器与第三谐振器之间、第三谐振器和第四谐振器之间、第一谐振器和第四谐振器之间均产生零耦合，即耦合系数关系为：K12＝K23＝K34＝K14＝0，从而使第一端口输入的信号一路通过第一谐振器到第三谐振器的耦合，并由第二端口输出，另一路通过第二谐振器到第四谐振器的耦合，并由第三端口输出，两路信号输出带通滤波性能，且通带工作频率独立可调，实现独立通道可控双工器功能。

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