CN113037240A - 一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置，采用集总参数周期加载技术和分布式周期加载技术的电路结构，在对于中心频率连续可调功能上的实现，充分利用变容二极管的工作特性，通过改变变容二极管的直流供电电压，来实现对其电容值的改变，进而调节中心频率。为了提高系统的集成度及数字化，采用数字控制电路控制中心频率的变化，从而整体上改进现有频率调节手段复杂的缺点并且使本发明更好的适应工程上的需要。

Description

一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置
技术领域
本发明涉及通信滤波器件，尤其涉及一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置。
背景技术
滤波器是现代无线通信网络中常用的无源部件。例如，在射频收发机中，需要利用滤波器将接收到的信号进行选频滤波，再使所需的信号进入下一个系统单元，最终实现整个系统设定的功能。作为系统中重要的组件，滤波器选频的效果好坏将直接影响整个系统的工作性能。
现代雷达和无线通信系统等常常需要多个频段的工作状态，为了提高系统的集成度及实用性，现在通常采取可重构的射频前端。但有关可重构的宽调节范围的现有滤波网络效果不尽理想，频率很难实现连续调节，并且调节范围较小，不能较好的满足需求。此外，现有可调节式滤波网络频率调节手段较为复杂，不利于大规模的应用于工程中。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置。
本发明的目的是这样实现的，提供一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置，包括基于集总参数周期性加载的第一滤波电路，第一滤波电路等效为：包括通过第一传输主路级联的多个第一谐振器单元，每个第一谐振器单元为LC串联谐振结构，通过第一传输主路上周期性设置的J变换器实现耦合，固定第一谐振器单元电感的感值，通过改变各第一谐振器单元的电容值来实现阻带中心频率的连续可调。
优选的，第一滤波电路还包括信号输入和输出端口，所述第一传输主路包括50欧姆传输线，第一谐振器单元之间通过间隔串联在第一传输主路上的耦合电感进行耦合，第一谐振器单元包括依次连接在第一传输主路上的固定电容、变容二极管和谐振器电感，在谐振器电感的末端通过两个金属过孔接地，在变容二极管的阴极通过电阻连接到直流偏置电压。
优选的，还包括基于分布式周期性加载的第二滤波电路，第二滤波电路等效为：包括通过第二传输主路级联的多个第二谐振器单元，每个第二谐振器单元为LC并联谐振结构，第二谐振器单元与第二传输主路通过K变换器实现耦合，固定第二谐振器单元电感的感值，通过改变各第二谐振器单元电容的容值来实现阻带中心频率的连续可调。
优选的，第二滤波电路还包括信号输入和输出端口，所述第二传输主路为50欧姆传输线，所述的第二谐振器单元包括一端接地的微带线A1，微带线A1与第二传输主路间隙耦合；还包括微带线A2，微带线A2的一端连接变容二极管D2的阴极，另一端连接变容二极管D11的阴极，微带线A2通过电阻连接直流偏置电压，变容二极管D11的阳极通过两个金属化过孔接地，变容二极管D2的阳极连接微带线A1的另一端。
优选的，多个第二谐振器单元交替分布在所述第二主传输线的上下两侧，上下两侧的两个相对应设置的第二谐振器单元关于竖直的中心轴线对称。
优选的，当将目标频率范围共划分为N个频段时，对应设置N对选通开关，每对选通开关中的输入选通开关的一端连接对应频段的滤波电路，另一端连接输入控制开关，所述输入控制开关依次连接数字控制电路和控制信号输入端，通过控制信号输入端输入控制信号以选择所需要选通的频段；每对选通开关中的输出选通开关的一端连接对应频段的滤波电路，另一端连接输出控制开关，输出控制开关连接带阻滤波器装置的输出端；
根据不同的划分频段，所述滤波电路采用所述第一滤波电路或者第二滤波电路。
优选的，所述目标频率范围为0.1GHz－－3GHz，并将目标频率范围分别划分为0.1GHz－0.5GHz、0.5GHz－0.9GHz、0.9GHz－2GHz和2GHz－－3GHz四个频段，其中，0.1GHz－0.5GHz和0.5GHz－0.9GHz频段采用第一滤波电路进行滤波，0.9GHz－2GHz和2GHz－－3GHz频段采用第二滤波电路进行滤波。
优选的，所述控制信号输入端配置为计算机。
本发明的显著进步性主要体现在：采用集总参数周期加载技术和分布式周期加载技术的电路结构，采用分布式的电路结构不仅可以缩小电路尺寸，同时减少划分的频段数量；对低频段采用集总参数的电路结构，利用多阶谐振器来提高抑制度，实现在低频段的高性能。此外，利用变容二极管实现对中心频率的连续可调，增强了对于宽调节范围滤波器调节的灵活性，实用性，简易性。采用数字控制电路控制中心频率的变化，从而整体上改进现有频率调节手段复杂的缺点，提高了系统的集成度及数字化，使本发明的滤波装置能够更好的适应工程上的需要。
附图说明
图1为本发明实施例的第一滤波电路的等效电路示意图；
图2为本发明实施例的第一滤波电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例的第二滤波电路的等效电路示意图；
图4为本发明实施例的第二滤波电路的电路结构示意图；
图5为本发明实施例的带阻滤波器装置的控制原理框图；
图6和图7为本发明实施例的带阻滤波器装置在0.1GHz－3GHz连续可调频率的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的阐述说明，应该说明的是，本发明的实施方式并不限于所提供的实施例。
在本发明实施例方案中，一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置，包括基于集总参数周期性加载的第一滤波电路，参阅图1所示为本实施例的第一滤波电路的等效电路示意图，第一滤波电路等效为：包括通过第一传输主路级联的多个第一谐振器单元，每个第一谐振器单元为LC串联谐振结构，通过第一传输主路上周期性设置的J变换器实现耦合，即相邻两个第一谐振单元之间的第一传输主路上设置有一个J变换器，实现第一传输主路上传输信号的耦合，固定第一谐振器单元电感(L1、L2...Ln)的感值，通过改变各第一谐振器单元的电容(C1、C2...Cn)的容值来实现阻带中心频率的连续可调。可以理解的是，本实施例中的第一滤波电路为集总参数周期性加载电路结构，由多阶谐振器级联组成，以此可提高阻带的抑制度。此外，在低频段，本实施例中第一滤波电路的设计可减小设计尺寸，可避免现有的滤波电路结构通常存在微带传输线的电尺寸过大，在进行传输线弯折时出现耦合，将会影响电路的性能的问题。
作为优选的，参阅图2所示为一种实施例的第一滤波电路的实际电路结构示意图。第一滤波电路包括信号输入和输出端口，以50欧姆传输线作为第一传输主路，第一谐振器单元之间通过间隔串联在第一传输主路上的耦合电感(La、Lb、Lc、Ld)进行耦合(可等效为J变换器)，以图2中的其中一个第一谐振器单元为例，第一谐振器单元包括依次连接在第一传输主路上的固定电容C1、变容二极管D1和谐振器电感L1，在谐振器电感L1的末端通过两个金属过孔接地，在变容二极管D1的阴极通过电阻R1连接到直流偏置电压。通过调节偏置电压改变变容二极管的容值，从而利用变容二极管实现对中心频率的连续可调，增强了对于宽调节范围滤波器调节的灵活性，实用性，简易性。应该说明的是，附图2中示出了其中一个第一谐振器单元的元器件连接结构，虽然其余第一谐振器单元仅示出用于设置在基板上的金属微带布置结构，但是应当理解为第一谐振器单元均具有相同的元器件连接结构。
作为优选的，本实施例的宽可调范围带阻滤波器装置还包括基于分布式周期加载的第二滤波电路，参阅图3所示为本实施例的第二滤波电路的等效电路示意图，第二滤波电路等效为：包括通过第二传输主路级联的多个第二谐振器单元，每个第二谐振器单元为LC并联谐振结构，第二谐振器单元与第二传输主路并联连接，并通过K变换器实现耦合，固定第二谐振器单元电感的感值，通过改变各第二谐振器单元电容的容值来实现阻带中心频率的连续可调。可以理解的是，本实施例中的第二滤波电路为分布式周期加载的电路结构，通过第二传输主路分布耦合多个第二谐振器单元，具有高抑制度，宽调节范围的特点。此外，在高频段，该电路结构不仅可以缩小电路尺寸，同时减少划分的频段数量。
作为优选的，参阅图4所示为一种实施例的第二滤波电路的实际电路结构示意图。第二滤波电路包括信号输入和输出端口，并以50欧姆传输线作为第二传输主路，所述的第二谐振器单元包括一端接地的微带线A1，微带线A1与第二传输主路间隙耦合(可等效为K变换器)，耦合间距为d1，通过调整所述耦合间距可以调整耦合强度，以调整第二滤波电路的带宽和抑制度；还包括微带线A2，微带线A2的一端连接变容二极管D2的阴极，另一端连接变容二极管D11的阴极，微带线A2通过电阻R11连接直流偏置电压，变容二极管D11的阳极通过两个金属化过孔接地，变容二极管D2的阳极连接微带线A1的另一端。同样的，附图4中示出了其中一个第二谐振器单元的元器件连接结构，虽然其余第二谐振器单元仅示出用于设置在基板上的金属微带布置结构，但是应当理解为第二谐振器单元均具有相同的元器件连接结构。
进一步优选的，多个第二谐振器单元交替分布在所述第二主传输线的上下两侧，上下两侧的两个对应设置的第二谐振器单元(如图4中的第二谐振器单元1和第二谐振器单元2)关于竖直中心轴线对称，可根据频段要求的抑制度确定第二谐振器单元的设置数量。
作为优选的，参阅图5所示为本实施例的带阻滤波器装置的控制原理框图，当将目标频率范围共划分为N个频段时，对应设置N对选通开关(开关A...开关N)，每对选通开关中的输入选通开关的一端连接对应频段的滤波电路，另一端连接输入控制开关(开关1)，所述输入控制开关依次连接数字控制电路和控制信号输入端，通过控制信号输入端输入控制信号以选择所需要选通的频段；每对选通开关中的输出选通开关的一端连接对应频段的滤波电路，另一端连接输出控制开关(开关2)，输出控制开关连接带阻滤波器装置的输出端；优选的，所述控制信号输入端为计算机。具体工作过程为：通过计算机输入控制信号选择所需要的频段，通过数字控制电路控制输入控制开关(开关1)中的通道选通，从而开启输入控制开关(开关1)中通道对应连接的选通开关(开关A...开关N)，最终实现选通频段的输出，完成对输入信号的选频。本实施例方案中，采用数字控制电路控制中心频率的变化，提高了带阻滤波器装置的集成度及数字化，调节较为方便、快捷，从而整体上改进现有频率调节手段复杂的缺点，使得本实施例的带阻滤波器装置能够更好的适应工程上的需要。
根据不同的划分频段，所述滤波电路采用所述第一滤波电路或者第二滤波电路。作为优选的，所述目标频率范围为0.1GHz－－3GHz，并将目标频率范围分别划分为0.1GHz－0.5GHz、0.5GHz－0.9GHz、0.9GHz－2GHz和2GHz－－3GHz四个频段，其中，0.1GHz－0.5GHz和0.5GHz－0.9GHz频段采用第一滤波电路进行滤波，0.9GHz－2GHz和2GHz－－3GHz频段采用第二滤波电路进行滤波。可以理解的是，还可以根据实际需要，将所述四个频段再细分为多个子频段。
下面，对以上实施例涉及的具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置的性能进行仿真测试。应该说明的是，所测试的宽可调范围带阻滤波器装置的第一滤波电路和第二滤波电路被设置于介质基板上，介质基板选用Rogers 6010，基板厚度为0.635mm，输入输出端口由SMA接头连接。通过仿真分析，将0.1GHz－－3GHz的频率范围分为0.1GHz－－0.5GHz，0.5GHz－－0.9GHz，0.9GHz－－2GHz，2GHz－－3GHz这四段进行调节：其中0.1GHz－－0.9GHz采用第一滤波电路，0.9GHz－－3GHz采用第二滤波电路。电感选用Coilcraft的0402，0603，1206系列的产品。所有的二极管均采用MACOM公司的MA46H201，MA46H120，MAVR－000202－12790T系列的变容二极管。具体地，在0.1GHz－－0.5GHz频段采用HMC245AQS16E型号开关控制频段选通，谐振器电感L1选用0603，1206系列，耦合电感La选用0402系列，变容二极管D1选用MA46H120，MAVR－000202－12790T系列，固定电容C1为0603的100pF电容，直流偏置电压连接的电阻R1为100K欧姆。在0.5GHz－－0.9GHz频段采用HMC784A型号开关控制频段选通，谐振器的电感L1选用0603系列，耦合电感La选用0402系列，变容二极管D1选用MA46H120系列，固定电容C1为0603的100pF电容，直流偏置电压连接的电阻R1为100K欧姆。在0.9GHz－－2GHz频段采用HMC245AQS16E型号开关控制频段选通，变容二极管D11、D2均选用MA46H120系列，直流偏置电压连接的电阻R11为100K欧姆。在2GHz－－3GHz频段采用HMC784A型号开关控制频段选通，变容二极管D11，D2选用MA46H201系列，直流偏置电压连接的电阻R11为100K欧姆。
图6和7显示了通过改变直流偏置电压，变容二极管在不同容值时，本发明的带阻滤波器装置的S参数曲线。其中，在S21曲线上标识出了M1，M2，M3，M4四个点，M1为阻带抑制的最大值点，M2，M3为相对通带损耗3dB点，M4为通带内插入损耗值点。由测试图中可体现出，M1(带阻中心频率)从0.1GHz－3GHz范围内可调节，即体现出了中心频率连续可调，宽调节范围的特点。
以上所述，仅为本发明列举的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种具有连续频率可调特性的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，包括基于集总参数周期性加载的第一滤波电路，第一滤波电路等效为：包括通过第一传输主路级联的多个第一谐振器单元，每个第一谐振器单元为LC串联谐振结构，通过第一传输主路上周期性设置的J变换器实现耦合，固定第一谐振器单元电感的感值，通过改变各第一谐振器单元的电容值来实现阻带中心频率的连续可调。
2.根据权利要求1所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，第一滤波电路还包括信号输入和输出端口，所述第一传输主路包括50欧姆传输线，第一谐振器单元之间通过间隔串联在第一传输主路上的耦合电感进行耦合，第一谐振器单元包括依次连接在第一传输主路上的固定电容、变容二极管和谐振器电感，在谐振器电感的末端通过两个金属过孔接地，在变容二极管的阴极通过电阻连接到直流偏置电压。
3.根据权利要求1所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，还包括基于分布式周期性加载的第二滤波电路，第二滤波电路等效为：包括通过第二传输主路级联的多个第二谐振器单元，每个第二谐振器单元为LC并联谐振结构，第二谐振器单元与第二传输主路通过K变换器实现耦合，固定第二谐振器单元电感的感值，通过改变各第二谐振器单元电容的容值来实现阻带中心频率的连续可调。
4.根据权利要求3所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，第二滤波电路还包括信号输入和输出端口，所述第二传输主路为50欧姆传输线，所述的第二谐振器单元包括一端接地的微带线A1，微带线A1与第二传输主路间隙耦合；还包括微带线A2，微带线A2的一端连接变容二极管D2的阴极，另一端连接变容二极管D11的阴极，微带线A2通过电阻连接直流偏置电压，变容二极管D11的阳极通过两个金属化过孔接地，变容二极管D2的阳极连接微带线A1的另一端。
5.根据权利要求4所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，多个第二谐振器单元交替分布在所述第二主传输线的上下两侧，上下两侧的两个相对应设置的第二谐振器单元关于竖直的中心轴线对称。
6.根据权利要求3所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，当将目标频率范围共划分为N个频段时，对应设置N对选通开关，每对选通开关中的输入选通开关的一端连接对应频段的滤波电路，另一端连接输入控制开关，所述输入控制开关依次连接数字控制电路和控制信号输入端，通过控制信号输入端输入控制信号以选择所需要选通的频段；每对选通开关中的输出选通开关的一端连接对应频段的滤波电路，另一端连接输出控制开关，输出控制开关连接带阻滤波器装置的输出端；
根据不同的划分频段，所述滤波电路采用所述第一滤波电路或者第二滤波电路。
7.根据权利要求6所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，所述目标频率范围为0.1GHz－－3GHz，并将目标频率范围分别划分为0.1GHz－0.5GHz、0.5GHz－0.9GHz、0.9GHz－2GHz和2GHz－－3GHz四个频段，其中，0.1GHz－0.5GHz和0.5GHz－0.9GHz频段采用第一滤波电路进行滤波，0.9GHz－2GHz和2GHz－－3GHz频段采用第二滤波电路进行滤波。
8.根据权利要求6所述的宽可调范围带阻滤波器装置，其特征在于，所述控制信号输入端配置为计算机。
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