CN112467321B - 基于可重构电磁边界的双模siw可调滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波通信设备技术领域，特别涉及一种基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，包括一个方形基片集成波导双模谐振器、多个PIN二极管和输入输出馈线；在所述方形基片集成波导双模谐振器的轴对称位置加入微扰缝隙，利用主模TE101模和第一高次模TE102模形成滤波器通带；在所述方形基片集成波导双模谐振器的四周加载PIN二极管，控制电边界和磁边界的自由切换；所述输入输出馈线与方形基片集成波导双模谐振器相连。本发明提出了利用PIN二极管的通断实现电磁边界可重构的思想，实现了中心频率可调且绝对带宽保持恒定，在整个中心频率调节范围内均具备良好的选择性和带外抑制水平，整个滤波器电路结构简单、调节灵活方便。
Description
技术领域
本发明属于微波通信设备技术领域，特别涉及一种基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器。
背景技术
射频前端电路在无线通信、卫星通信、短波通信、雷达及电子对抗等无线电系统中具有十分广泛而深入的应用。而随着全球无线电系统的快速发展，射频电路正朝着小型化、集成化、低成本的方向推进。为了满足这一发展趋势，多频带多模式的系统和设备快速发展起来。在多频多模系统和设备中，需要很多不同工作频带和模式的滤波器来实现信号的选择，且不同信号通道之间存在相互干扰的问题。单一的非可调滤波器已经无法满足这种系统和设备的需求。传统的解决方案是在射频前端的控制电路加载一套滤波器组，利用开关接通、断开的操作方式来选择出所需频段。但庞大的滤波器组导致射频前端电路很复杂，增加了系统的体积和损耗，与此同时，利用普通开关的通断来控制滤波器的工作方式，切换速度较慢，不利于提高系统的工作效率。电调滤波器的发展使这个难题迎刃而解。一个电调滤波器便能够满足系统的多个频率和模式正常工作，它具有以下优势：第一，实现目标信号的选择和干扰信号的抑制；第二，有效地减小体积、降低成本，是实现各种无线电系统小型化、多功能、低成本和迭代升级的核心器件；第三，能够实现无线电系统频率捷变功能，有效提高无线电系统的效能。
基于微带结构的电调滤波器具备很多优点，如设计成本低、制作简单、电调元件易加载等，但其有时无法满足对功率容量要求较高的系统和设备。而功率容量高的腔体滤波器往往是通过加载调谐螺钉或利用电机驱动调谐片的方式来实现机械可调，难以实现电调，因此无法满足现代无线系统对调谐速度的要求。SIW结构，自二十一世纪之初提出以来，发展迅速，原因有二：第一，SIW具备着传统波导的优点，包括较高的Q值、较低的辐射损耗，且相比于金属波导，SIW体积更小；第二，SIW也具备着较低成本、制作简单以及较易于与平面电路集成的优点。因此，SIW技术已经广泛应用于很多射频微波器件中。
目前，由于多模SIW谐振器难以实现可调，对于SIW电调滤波器的研究大都集中于单模SIW谐振器。但多模SIW在小型化和选择性方面具有明显的优势。例如M.Abdelfattah等人在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.67.2019发表的《High-Selectivity Tunable Filters With Dual-Mode SIW Resonators in an L-Shaped Coupling Scheme》，利用线性驱动器移动调节圆片，来实现了一个双模SIW可调滤波器。但该可调滤波器的体积庞大，调节不够灵活。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，提出了利用PIN二极管的通断实现电磁边界可重构的思想，实现了中心频率可调且绝对带宽保持恒定，在整个中心频率调节范围内均具备良好的选择性和带外抑制水平，整个滤波器电路结构简单、调节灵活方便。
为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
本发明的一种基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，包括一个方形基片集成波导双模谐振器、多个PIN二极管和输入输出馈线；在所述方形基片集成波导双模谐振器的轴对称位置加入微扰缝隙，利用主模TE101模和第一高次模TE102模形成滤波器通带；在所述方形基片集成波导双模谐振器的四周边缘处设置多个金属过孔，在靠近金属过孔内侧的金属层上设置槽，在槽上跨接有PIN二极管，PIN二极管控制电边界和磁边界的自由切换；所述输入输出馈线与方形基片集成波导双模谐振器相连；
所述PIN二极管控制电边界和磁边界的自由切换包括：
在PIN二极管导通的位置等效为电边界；反之，在PIN二极管反偏的位置等效为磁边界。
进一步地，所述微扰缝隙调节第一高次模TE102模，对主模TE101模无影响，随着微扰缝隙长度增大，第一高次模TE102模向主模TE101模偏移，反之向相反方向偏移，从而控制滤波器带宽。
进一步地，该滤波器还包括PIN二极管外部偏置电路，用于保护PIN二极管正常工作，所述PIN二极管外部偏置电路包括隔直电容DC Block和偏置电阻RF Block。
进一步地，通过加载PIN二极管实现电磁边界的重构，当方形基片集成波导双模谐振器电磁边界重构时，主模TE101模和第一高次模TE102模发生偏移，实现滤波器中心频率的可调。
进一步地，所述PIN二极管对称加载于方形基片集成波导双模谐振器的四周，PIN二极管同时对称切换，主模TE101模和第一高次模TE102模同时近似等量变化，在整个中心频率调节的过程中，绝对带宽保持近似恒定。
进一步地，所述输入输出馈线引入源与负载耦合，所述方形基片集成波导双模谐振器引入旁路耦合，在通带两侧各引入两个传输零点。
进一步地，所述滤波器采用相对介电常数为3.5的RF-35基板，其厚度为0.508mm；所述PIN二极管的型号为SMP1345-079LF。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器创新性的提出可重构电磁边界的思想，在方形基片集成波导双模谐振器的四周加载PIN二极管，通过PIN二极管的通断，实现了电边界和磁边界的自由切换，进一步实现了方形基片集成波导双模谐振器的重构，解决了方形双模SIW谐振器难以实现电调的难题，且为多模SIW滤波器实现电调提供了新思路。
2、本发明的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器通过加载PIN二极管实现电磁边界的重构，当方形基片集成波导双模谐振器电磁边界重构时，主模TE101模和第一高次模TE102模发生偏移，从而实现滤波器中心频率的可调，且无需加载任何其他调谐元件，实现了绝对带宽保持恒定。本发明具备良好的选择性和带外抑制水平，且整个滤波器结构简单、调节灵活方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例加载PIN二极管的方形基片集成波导双模谐振器的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器(a)以及PIN二极管外部偏置电路(b)的结构示意图；
图3是本发明实施例当方形基片集成波导双模谐振器为3个电边界条件(electric-boundary condition，EC)和1个磁边界条件(magnetic-boundary condition，MC)下的电场分布(a)和电流分布(b)示意图；
图4是本发明实施例在不同电边界条件下，谐振频率随微扰缝隙长度L6的变化曲线；
图5是本发明实施例的方形基片集成波导双模谐振器中主模TE101模和第一高次模TE102模的电场分布随电边界长度的变化曲线；
图6是本发明实施例的方形基片集成波导双模谐振器中主模TE101模和第一高次模TE102模的谐振频率随电边界长度的变化曲线；
图7是本发明实施例的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器的仿真与测试结果曲线，其中S11表示回波损耗(b)，S21表示插入损耗(a)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本实施例的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，包括一个方形基片集成波导双模谐振器、多个PIN二极管和输入输出馈线，在方形基片集成波导双模谐振器的轴对称位置加入微扰缝隙，利用主模TE101模和第一高次模TE102模形成滤波器通带；在所述方形基片集成波导双模谐振器的四周边缘处设置多个金属过孔，在靠近金属过孔内侧的金属层上设置槽，在槽上跨接有PIN二极管，PIN二极管控制电边界和磁边界的自由切换，进而实现方形双模SIW谐振器的重构；输入输出馈线与方形基片集成波导双模谐振器相连。
作为优选的，滤波器采用相对介电常数为3.5的Taconic RF-35基板，其厚度为0.508mm；所述PIN二极管采用Skyworks公司的SMP1345-079LF。
电磁边界可重构是通过加载PIN二极管来实现边界重构的，具体是，在PIN二极管导通的位置等效为电边界；反之，在PIN二极管反偏的位置等效为磁边界。下面以图1为例进行说明，图1是加载PIN二极管的方形基片集成波导双模谐振器的结构示意图，其中A～J代表10个PIN二极管，当PIN二极管全部导通时，可以近似等效为4个EC的方形双模SIW谐振器；当A、B、C断开、其余PIN二极管导通时，近似等效为3个EC和1个MC的方形双模SIW谐振器；当A、B、C导通，其余PIN二极管全部断开时，近似等效为1个EC和3个MC的方形双模SIW谐振器；当PIN二极管全部断开时，近似等效为4个MC的方形双模SIW谐振器；由此，实现了4EC～0EC(0MC～4MC)的边界条件的调节，这种调节实际上是方形双模SIW谐振器的一种重构过程。
图2(a)是基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器的结构示意图，图中各部分尺寸参数如下表所示。
图2(b)是PIN二极管外部偏置电路的结构示意图，在加载PIN二极管时，需要设计外部偏置电路，以保护PIN二极管正常工作，PIN二极管外部偏置电路包括隔直电容DCBlock和偏置电阻RF Block，加载隔直电容DC Block是为了防止直流直接接地和防止直流流入滤波器的馈源，加载偏置电阻RF Block是为了阻止交流直接流进直流源而造成损坏。
图3是当方形双模SIW谐振器为3个电边界条件和1个磁边界条件下前三个模式的电场分布(a)和电流分布(b)示意图，利用主模TE101模和第一高次模TE102模形成滤波器通带，由于这两个模式不是一对简并正交模，可以称之为非简并双模谐振器。当利用主模TE101模和第一高次模TE102模形成通带时，两者的旁路耦合会引入传输零点。此外，由两个模式的电流分布可知，在方形双模SIW谐振器的轴对称位置加入微扰缝隙，对主模TE101模无影响，对第一高次模TE102模有影响，微扰缝隙可以单独调节第一高次模TE102模，从而控制滤波器带宽，随着微扰缝隙长度L6增大，主模TE101模频率保持不变，而第一高次模TE102模频率减小，这一特性如图4所示。图5说明了当EC逐渐增大时主模TE101模和第一高次模TE102模的电场分布情况，以电场的角度直观地看出方形双模SIW谐振器的重构过程。
通过加载PIN二极管来实现电磁边界的重构，而当方形双模SIW谐振器电磁边界重构时，主模TE101模和第一高次模TE102模发生偏移，从而实现该滤波器中心频率的可调。另外，PIN二极管对称加载于方形基片集成波导双模谐振器的四周，PIN二极管也同时对称切换，因此主模TE101模和第一高次模TE102模同时近似等量变化，在整个中心频率调节的过程中，绝对带宽保持近似恒定。图6说明了当EC逐渐增大时，两个模式的谐振频率同时增大，且频率增量近似相同，因此，该滤波器具备一个十分重要的特性，即不需要附加任何额外的调谐元件，在整个频率可调的过程中可以保持绝对带宽近似不变。
滤波器工作时，同时具备源与负载耦合以及主模/高次模旁路耦合，在通带两侧各引入两个传输零点。图7是基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器的仿真与测试结果曲线，该滤波器一共获得了四个传输零点，其中下阻带有两个传输零点，来源于源与负载耦合，上阻带有两个传输零点，来源于主模/高次模的旁路耦合。部分测试数据如下表所示。
表中PIN二极管的状态栏中，“0”表示PIN二级管断开，即边界条件为MC，“1”表示PIN二极管导通，即边界条件为EC。测试的频率(f0)调节范围为2.13～3.55GHz，带宽(ABW)为347±7MHz，近似保持不变；在可调过程中，插入损耗为1.2～4.4dB。
本发明的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，创新性提出了可重构电磁边界的思想，从谐振器的边界条件入手，通过PIN二极管的通断来实现电磁边界的切换，从而实现了方形双模SIW谐振器的重构，解决了方形双模SIW谐振器难以实现电调的难题，电磁边界重构的思想也为多模SIW滤波器实现电调提供了重要思路。该滤波器实现中心频率可调的同时保证了绝对带宽恒定。本发明的滤波器具备良好的选择性和带外抑制水平，且整个滤波器结构简单、调节灵活方便。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，包括一个方形基片集成波导双模谐振器、多个PIN二极管和输入输出馈线；在所述方形基片集成波导双模谐振器的轴对称位置加入微扰缝隙，利用主模TE101模和第一高次模TE102模形成滤波器通带；在所述方形基片集成波导双模谐振器的四周边缘处设置多个金属过孔，在靠近金属过孔内侧的金属层上设置槽，在槽上跨接有PIN二极管，PIN二极管控制电边界和磁边界的自由切换；所述输入输出馈线与方形基片集成波导双模谐振器相连；
所述PIN二极管控制电边界和磁边界的自由切换包括：
在PIN二极管导通的位置等效为电边界；反之，在PIN二极管反偏的位置等效为磁边界。
2.根据权利要求1所述的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，所述微扰缝隙调节第一高次模TE102模，对主模TE101模无影响，随着微扰缝隙长度增大，第一高次模TE102模向主模TE101模偏移，反之向相反方向偏移，从而控制滤波器带宽。
3.根据权利要求1所述的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，该滤波器还包括PIN二极管外部偏置电路，用于保护PIN二极管正常工作，所述PIN二极管外部偏置电路包括隔直电容DC Block和偏置电阻RF Block。
4.根据权利要求1所述的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，通过加载PIN二极管实现电磁边界的重构，当方形基片集成波导双模谐振器电磁边界重构时，主模TE101模和第一高次模TE102模发生偏移，实现滤波器中心频率的可调。
5.根据权利要求4所述的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，所述PIN二极管对称加载于方形基片集成波导双模谐振器的四周，PIN二极管同时对称切换，主模TE101模和第一高次模TE102模同时近似等量变化，在整个中心频率调节的过程中，绝对带宽保持近似恒定。
6.根据权利要求1所述的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，所述输入输出馈线引入源与负载耦合，所述方形基片集成波导双模谐振器引入旁路耦合，在通带两侧各引入两个传输零点。
7.根据权利要求1所述的基于可重构电磁边界的双模SIW可调滤波器，其特征在于，所述滤波器采用相对介电常数为3.5的RF-35基板，其厚度为0.508mm；所述PIN二极管的型号为SMP1345-079LF。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 450000 Science Avenue 62, Zhengzhou High-tech Zone, Henan Province Patentee after: Information Engineering University of the Chinese People's Liberation Army Cyberspace Force Country or region after: China Address before: No. 62 Science Avenue, High tech Zone, Zhengzhou City, Henan Province Patentee before: Information Engineering University of Strategic Support Force,PLA Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |