CN112803913B - 一种超宽调节范围的可重构滤波器 - Google Patents

一种超宽调节范围的可重构滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明的一种超宽调节范围的可重构滤波器，包括信号输入端口和信号输出端口，所述信号输入端口和信号输出端口之间至少连接有三条并联的滤波通道，三条滤波通道均包括由二阶谐振器和外部匹配网络构成的对称滤波器网络，所述二阶谐振器包括用于调节通道滤波状态的调谐单元，所述三条滤波通道的频段不同。本发明的滤波器在谐振器内部直接设置可作为通道开关的调谐单元的方式，避免了输入输出开关的使用，同时可实现较宽范围的调节，调谐单元不仅减小了滤波器的尺寸，同时很大程度减小插损，提高了系统的整体性能。

Description

一种超宽调节范围的可重构滤波器
技术领域
本发明涉及微波通信系统领域，尤其涉及一种可实现超宽调节范围的可重构滤波器。
背景技术
滤波器是现代无线通信网络中常用的无源电路，例如在射频收发机中，需要将接收到的宽频信号通过滤波器进行选频，滤除干扰信号。传统滤波器采用开关方式对各个不同频段进行切换，从而实现较宽范围的调节，但开关体积大，插损大。超宽范围的可重构滤波器的研究对于减小系统体积，提高系统整体性能具有重要影响。
现有关提高可重构滤波器调节范围最大只能达到三个倍频程，且通带调节手段较为复杂。因此，有必要一种体积小，插损小，可实现超宽范围的便捷调节的滤波器。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种体积小，插损小，可实现超宽范围的便捷调节的滤波器。
为实现该目的，本发明提供一种超宽调节范围的可重构滤波器，包括信号输入端口和信号输出端口，所述信号输入端口和信号输出端口之间至少连接有三条并联的滤波通道，三条滤波通道均包括由二阶谐振器和外部匹配网络构成的对称滤波器网络，所述二阶谐振器包括用于调节通道滤波状态的调谐单元，所述三条滤波通道的频段不同。
作为优选的，所述调谐单元由通道开关、PIN开关电容阵列单元和MEMS可变电容三部分并联组成，所述通道开关为PIN二极管开关。
作为优选的，所述PIN二极管开关包括由两对反向串联的PIN二极管并联构成的开关电路，每对反向串联的PIN二极管设置为：包括两个反向串联的PIN二极管，两个PIN二极管的阳极相对连接，两个PIN二极管的阳极通过偏置电阻连接偏置电压，两个PIN二极管的两侧并联有偏置电阻。
作为优选的，所述PIN开关电容阵列单元包括多个并联阵列的PIN开关电容电路，每个PIN开关电容电路包括一个第一固定电容和两个第二固定电容，第一固定电容通过一个3引脚PIN开关分别与两个第二固定电容连接，所述第一固定电容的电容值小于第二固定电容的电容值。
作为优选的，所述3引脚PIN开关的内部由两个PIN二极管串联组成，且每个PIN二极管上均加载有一个偏置电路。
作为优选的，三条滤波通道分别为第一滤波通道、第二滤波通道和第三滤波通道，三条滤波通道的一端共同连接有第一谐振电路，另一端共同连接有第二谐振电路，所述第一谐振电路和第二谐振电路用于引入传输零点。
作为优选的，所述第二滤波通道和第三滤波通道的一端通过一个共同连接的共用匹配电感分别连接所述信号输入端口和第一谐振电路，第二滤波通道和第三滤波通道的另一端通过另一个共同连接的共用匹配电感分别连接所述信号输出端口和第二谐振电路。
本发明的技术效果至少体现在：
本发明将多个不同频段的滤波通道相连，并在谐振器内部直接设置可作为通道开关的调谐单元的方式，避免了输入输出开关的使用，同时可实现较宽范围的调节，调谐单元不仅减小了滤波器的尺寸，同时很大程度减小插损，提高了系统的整体性能。此外，将MEMS可变电容与PIN开关阵列结合，使调谐单元具有宽可调范围与小步进的优势；并且，通过使谐振器失谐以及引入两个传输零点位置，改善通道之间的隔离度。
附图说明
图1为本发明实施例的可重构滤波器的电路原理示意图；
图2为本发明实施例的调谐单元的电路原理示意图；
图3为本发明实施例的调谐单元电压控制说明图；
图4为本发明实施例的各滤波通道的S参数实测结果与仿真结果对比图；
图5为本发明实施例的调节第一滤波通道MEMS可变电容的S参数实测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明所提供的超宽调节范围的可重构滤波器进行详细的说明。应该说明的是，本发明的具体实施方式并不限于所提供的实施例。
参阅图1-5所示，本发明提供如下实施例：
图1所示为本发明实施例的可重构滤波器的电路原理示意图，一种超宽调节范围的可重构滤波器，包括信号输入端口和信号输出端口，所述信号输入端口和信号输出端口之间至少连接有三条并联的滤波通道，三条滤波通道均包括由二阶谐振器和外部匹配网络构成的对称滤波器网络，所述二阶谐振器包括用于调节接入电容大小的调谐单元，所述三条滤波通道的频段不同。本实施例中，可通过控制调谐单元来控制滤波通道的谐振电容是否接入从而选择滤波器的工作频段，实现滤波器的可重构，以及较宽范围的调节。
作为优选的实施方式，三条滤波通道分别为第一滤波通道(通道1)、第二滤波通道(通道2)和第三滤波通道(通道3)，每个滤波通道的调谐单元均配置为由通道开关、PIN开关电容阵列单元和MEMS可变电容三部分并联组成，所述通道开关为PIN二极管开关。本实施例中利用PIN二极管开关、PIN开关电容阵列和MEMS可变电容作为基本调谐单元,通过控制PIN二极管开关的通断来切换频段，避免了输入输出开关的使用，减小插入损耗。
参阅图2所示为各通道调谐单元的结构示意图，其中，图2(a)为第一滤波通道的第一调谐单元(调谐单元1)和第二调谐单元(调谐单元2)的电路结构示意图,图2(b)为第二滤波通道的第三调谐单元(调谐单元3)和第四调谐单元(调谐单元4)的电路结构示意图,图2(c)为第三滤波通道的第五调谐单元(调谐单元5)和第六调谐单元(调谐单元4)的电路结构示意图。进一步的，所述PIN二极管开关包括由两对反向串联的PIN二极管并联构成的开关电路，每对反向串联的PIN二极管设置为：包括两个反向串联的PIN二极管，两个PIN二极管的阳极相对连接，两个PIN二极管的阳极通过偏置电阻连接偏置电压，两个PIN二极管的两侧并联有偏置电阻。具体的，如图2(a)中所示，第一调谐单元和第二调谐单元的PIN二极管开关均设置为由一对反向串联的PIN二极管(D11、D21)和另一对反向串联的PIN二极管(D31、D41)并联构成，R5、R6、R7为加载在PIN二极管上的偏置电阻，V3为偏置电压。同样的，第三调谐单元和第四调谐单元的PIN二极管开关均设置为由一对反向串联的PIN二极管(D12、D22)和另一对反向串联的PIN二极管(D32、D42)并联构成，第五调谐单元和第六调谐单元的PIN二极管开关均设置为由一对反向串联的PIN二极管(D13、D23)和另一对反向串联的PIN二极管(D33、D43)并联构成，应该说明的是，第三至第六调谐单元具有与第一和第二调谐单元相同设置的偏置电阻和偏置电压(图2(b)和(c)中未示意出)。可以理解的是，本实施例中，可通过调节调谐单元的偏置电压V3的大小进行PIN二极管开关中各PIN二极管的通断控制，从而选择工作频段。以第一调谐单元为例，V3为正压时，PIN二极管(D11、D21、D31、D41)导通，PIN开关电容阵列单元被短路，当前通道的响应由滤波器转换成对地电感，第一滤波通道处于关闭状态(即通道状态为0)；V3为负压时，PIN二极管(D11、D21、D31、D41)截止，表现为小电容，PIN开关电容阵列单元的容值增大0.1pF,谐振器工作在预设频段，第一滤波通道处于滤波状态(即通道状态为1)。
作为优选的，参阅图2所示，第一调谐单元和第二调谐单元的PIN开关电容阵列单元均设置为包括四个并联阵列的PI开关电容电路，每个PIN开关电容电路包括一个第一固定电容和两个第二固定电容，第一固定电容(C1、C2、C3、C4)通过3引脚PIN开关(SW1、SW2、SW3、SW4)分别与两个第二固定电容(Ct)连接，第一固定电容的电容值小于第二固定电容的电容值。所述第三调谐单元和第四调谐单元的PIN开关电容阵列单元均设置为包括两个并联阵列的PIN开关电容电路，PIN开关电容电路由第一固定电容(C5、C6)、固定电容(Ct)和连接第一固定电容和第二固定电容的3引脚PIN开关(SW5、SW6)构成，所述第五调谐单元和第六调谐单元的PIN开关电容阵列单元包括两个并联阵列的PIN开关电容电路，PIN开关电容电路由第一固定电容(C7、C8)、固定电容(Ct)和连接第一固定电容和第二固定电容的3引脚PIN开关(SW7、SW8)构成，第三至第六调谐单元的每个PIN开关电容电路设置方式相同，在此不做赘述。本实施例中，在通过通道开关选中频段后，通过控制PIN开关电容阵列的3引脚PIN开关来控制接入电路固定电容的数目和大小，从而调节中心频率。
进一步优选的，所述3引脚PIN开关的内部由两个PIN二极管串联组成，且每个PIN二极管上均加载有一个偏置电路。作为一种具体的，参阅图2，所述3引脚PIN开关中，一个PIN二极管的阳极连接第二引脚2，阴极连接第三引脚3，另一个PIN二极管的阳极连接第一引脚1，阴极连接第二引脚2；一个偏置电路设置为偏置电压V2通过电阻R1连接第三引脚3，以及通过电阻R1连接电阻R2后连接在第二引脚2，另一个偏置电路设置为偏置电压V1通过电阻R4连接第一引脚1，以及通过电阻R4连接电阻R3后连接在第二引脚2。图2(a)中示范性的给出了一个3引脚PIN开关(SW4)上设置的偏置电路，应该说明的是，其它3引脚PIN开关(SW1、SW2、SW3、SW5、SW6、SW7、SW8)也以同样的方式设置有偏置电路(图中均未示出)。可以理解的是，本实施例中，可通过控制3引脚PIN开关(SW1-SW8)的偏置电压，实现不同容值的电容接入。以图2(a)中的3引脚PIN开关SW4为例，加载的偏置电压V1为+5V，当V2接地时，SW4中两个PIN二极管均导通，电容C4接入谐振电路；V2接+30V电压时，SW4中两个PIN二极管均截止，电容C4从谐振电路中断开。
本实施例中，可通过切换电容阵列单元中PIN开关偏置电压以及调节MEMS电容大小共同实现滤波器中心频率可调。对于每个开关状态，调节MEMS电容能够细调节频率步进，MEMS电容部分可由四个可变电容并联构成，将MEMS可变电容与PIN开关阵列结合，使调谐单元具有宽可调范围与小步进的优势。
图3为调谐单元电压控制下开关导通状态的示例性的说明图，采用二进制表示导通或截止状态，1表示导通状态，0表示截止状态。比如，当滤波器的偏置电压1-1-0000-00000/2-0-00(11)-00000/3-0-00(11)-00s时，通道1工作，通道2，通道3关闭且谐振器失谐，此时通道1的电容阵列取最小值(电容阵列全断开，MEMS电容为最小值)，得到该频段中心频率最大值。当滤波器的偏置电压1-1-0100-11111/2-0-00(11)-00000/3-0-00(11)-00s时，通道1工作，通道2，通道3关闭且谐振器失谐，此时通道1的谐振电容取最大值(电容阵列接入,单个MEMS电容为最大值)，得到该频段最小中心频率响应。
作为优选的实施方式，所述第一滤波通道包括依次串联的电感L41、L51、L11、L21、L71和L81，电感L41和L51之间连接有电感L61，电感L51和L11之间连接有第一调谐单元，电感L21和L71之间连接有第二调谐单元，电感L11和L21之间连接有电感L31，电感L71和L81之间连接有电感L91。进一步的，所述第二滤波通道包括依次串联的电感L42、L52、L12、L22、L72、和L82，电感L42和L52之间连接有电感L62，电感L52和L12之间连接有第三调谐单元，电感L22和L72之间连接有第四调谐单元，电感L12和L22之间连接有电感L32，电感L72和L82之间连接有电感L92。进一步的，所述第三滤波通道包括依次串联的电感L43、L13、L23和L83，电感L43和L13之间连接有第五调谐单元，电感L23和L83之间连接有第六调谐单元，电感L13和L23之间连接有电感L33。电感L61、L31、L91、L62、L32、L92、L33的一端，以及，第一至第六调谐单元的一端均设置为接地。可以理解的是，并联的3条滤波通道的工作频段设置为不同，比如，将第一滤波通道(通道1)设置为104MHz-195MHz，第二滤波通道(通道2)设置为210MHz-347MHz，第三滤波通道设置为328MHz-413MHz。通过三个频段的切换，可实现滤波器在接近四个倍频程超宽范围的频率可调。
作为优选的实施方式，三条滤波通道的一端共同连接有第一谐振电路，另一端共同连接有第二谐振电路，所述第一谐振电路和第二谐振电路用于引入传输零点。作为一种具体的，参阅图1所示，第一谐振电路包括串联的电感LS1和可变电容Cs1，电感LS1分别连接三个滤波通道的输入端，可变电容Cs1一端接地；第二谐振电路包括串联的电感LS2和可变电容Cs2，电感LS2分别连接三个滤波通道的输出端，可变电容Cs2一端接地。可以理解的是，可通过第一谐振电路和第二谐振电路引入两个传输零点，改善滤波通道之间的隔离度，调节CS1、CS2大小可以控制传输零点的位置，提高滤波器通道隔离以及通带远端抑制。
进一步优选的，所述第二滤波通道和第三滤波通道的一端通过一个共同连接的共用匹配电感分别连接所述信号输入端口和第一谐振电路，第二滤波通道和第三滤波通道的另一端通过另一个共同连接的共用匹配电感分别连接所述信号输出端口和第二谐振电路。作为一种具体的，参阅图1所示，第二滤波通道和第三滤波通道的输入端共同连接在电感L411的一端，电感L411的另一端分别连接电感LS1和信号输入端；第二滤波通道和第三滤波通道的输出端共同连接在电感L412的一端，电感L412的另一端分别连接电感LS2和信号输出端。在本实施例中，L411和L412为第二滤波通道和第三滤波通道的共用匹配电感，可用来增加三个滤波通道的频段匹配电感选取自由度。
作为可参考的，可采用PCB四层板加工技术设置滤波器，第一层金属为射频走线及射频元件层，第二层为GND层，第三层为VCC层，第四层放置电阻元件。第一层金属与第二层金属之间的介质基板为Rogers5880，基板厚度0.508mm。其他金属层之间的介质基板为FR4，厚度0.254mm。其信号输入输出端口由SMA接头连接。作为一个对本发明滤波器的测试例，C1-C4固定电容的大小分别为9.1pF、18pF、32pF、56pF，Ct为固定的100pF大电容，偏置电阻R1、R2、R3、R4分别为300Ω、10MΩ、10MΩ、300Ω；MEMS电容部分可由四个BGA封装的MEMS可变电容并联组成，MEMS电容型号32CK503R，容值范围由0.75pF-3.1pF,步进约0.08pF,RF引脚接射频输入，RFGND和GND都接地，SCLK、SETID、SDATA、VIO接数字控制引脚，由单片机控制MEMS电容的电容大小。所有的电感均采用coilcraft系列空心电感，该电感在低频Q值高，各个电感元件的大小如表1所示：
表1
Figure BDA0002872495470000081
图4为本发明实施例的各滤波通道的S参数实测结果与仿真结果对比图，其中，图4中，(a)为通道1调整PIN开关电容阵列单元偏置电压时的S参数实测结果与仿真结果对比，A1-A4为中心频率，括号内为用二进制表示的开关SW1-SW4的导通状态；(b)为通道2调整PIN开关电容阵列单元偏置电压时的S参数实测结果与仿真结果对比，B1-B4为中心频率，括号内为用二进制表示的开关SW5-SW6的导通状态；(c)为通道3的MEMS可变电容最大电容状态和最小电容状态的S参数实测结果与仿真结果对比，C1-C2为中心频率，括号内为用二进制表示的开关SW7-SW8的导通状态。图5为本发明实施例的调节第一滤波通道MEMS可变电容的S参数实测结果图。
本发明利用谐振器内部的PIN开关实现三个频段的切换，邻近频段抑制大于40dB，在不恶化单个频段插损的同时实现从104M-413M接近四个倍频程超宽范围的频率可调带通滤波器，插损小于5.1dB。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，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。
在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，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，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
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)

1.一种超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，包括信号输入端口和信号输出端口，所述信号输入端口和信号输出端口之间至少连接有三条并联的滤波通道，三条滤波通道均包括由二阶谐振器和外部匹配网络构成的对称滤波器网络，所述二阶谐振器包括用于调节通道滤波状态的调谐单元，所述三条滤波通道的频段不同；
其中，所述调谐单元由通道开关、PIN开关电容阵列单元和MEMS可变电容三部分并联组成，所述通道开关为PIN二极管开关；
其中，所述PIN二极管开关包括由两对反向串联的PIN二极管并联构成的开关电路，每对反向串联的PIN二极管设置为：包括两个反向串联的PIN二极管，两个PIN二极管的阳极相对连接，两个PIN二极管的阳极通过偏置电阻连接偏置电压，两个PIN二极管的两侧并联有两个串联的偏置电阻。
2.根据权利要求1所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，所述PIN开关电容阵列单元包括多个并联阵列的PIN开关电容电路，每个PIN开关电容电路包括一个第一固定电容和两个第二固定电容，第一固定电容通过一个3引脚PIN开关分别与两个第二固定电容连接，所述第一固定电容的电容值小于第二固定电容的电容值。
3.根据权利要求2所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，所述3引脚PIN开关的内部由两个PIN二极管串联组成，且每个PIN二极管上均加载有一个偏置电路。
4.根据权利要求3所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，三条滤波通道分别为第一滤波通道、第二滤波通道和第三滤波通道，三条滤波通道的一端共同连接有第一谐振电路，另一端共同连接有第二谐振电路，所述第一谐振电路和第二谐振电路用于引入传输零点。
5.根据权利要求4所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，所述第二滤波通道和第三滤波通道的一端通过一个共同连接的共用匹配电感分别连接所述信号输入端口和第一谐振电路，第二滤波通道和第三滤波通道的另一端通过另一个共同连接的共用匹配电感分别连接所述信号输出端口和第二谐振电路。
6.根据权利要求5所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，所述第一滤波通道包括依次串联的电感L41、L51、L11、L21、L71和L81，电感L41和L51之间连接有电感L61，电感L51和L11之间连接有第一调谐单元，电感L21和L71之间连接有第二调谐单元，电感L11和L21之间连接有电感L31，电感L71和L81之间连接有电感L91；所述第一调谐单元和第二调谐单元的PIN开关电容阵列单元包括四个并联阵列的PIN开关电容电路。
7.根据权利要求6所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，所述第二滤波通道包括依次串联的电感L42、L52、L12、L22、L72和L82，电感L42和L52之间连接有电感L62，电感L52和L12之间连接有第三调谐单元，电感L22和L72之间连接有第四调谐单元，电感L12和L22之间连接有电感L32，电感L72和L82之间连接有电感L92；所述第三调谐单元和第四调谐单元的PIN开关电容阵列单元包括两个并联阵列的PIN开关电容电路。
8.根据权利要求7所述的超宽调节范围的可重构滤波器，其特征在于，所述第三滤波通道包括依次串联的电感L43、L13、L23和L83，电感L43和L13之间连接有第五调谐单元，电感L23和L83之间连接有第六调谐单元，电感L13和L23之间连接有电感L33；所述第五调谐单元和第六调谐单元的PIN开关电容阵列单元包括两个并联阵列的PIN开关电容电路。
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