CN113346208B

CN113346208B - 基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器

Info

Publication number: CN113346208B
Application number: CN202110498685.7A
Authority: CN
Inventors: 张子铮; 刘云
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-05-08
Filing date: 2021-05-08
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-05-08
Also published as: CN113346208A

Abstract

本发明公开基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，属于基本电气元件的技术领域。该滤波器由上层微带结构、中间层介质板和下层金属板组成。上层微带结构包括若干个变容二极管加载的四分之一波长可调谐振器；相邻两个谐振器采用复合耦合结构，在特定位置引入电容耦合，通过调整电容耦合的位置、电容大小和谐振器之间的间距，调控耦合系数随频率变化的曲线，使耦合系数与频率成反比，从而满足恒定带宽的设计要求；在输入和输出端使用平行耦合结构，并通过在端口处串接电容，实现输入端品质因数与工作频率成正比。该滤波器采用全长度平行耦合的四分之一波长谐振器，结构简单紧凑，且具有恒定的绝对带宽以及良好的反射特性与传输特性。

Description

基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器

技术领域

本发明公开基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，此滤波器结构简单紧凑，具有恒定的绝对带宽以及良好的反射特性与传输特性，涉及微波器件技术，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

高性能微波滤波器在无线微波通信系统中得到了广泛的应用。改善滤波器的选通特性和灵活设计滤波器是有效利用有限频谱资源的可行途径，电可调滤波器是研究热点之一。电可调滤波器可以控制有用信号频率，抑制有害干扰频率，支持收发器中的多频多模通信，使通信系统更加紧凑。

谐振器是电可调滤波器的基本单元。为了使谐振器的谐振频率可调，我们需要在谐振器的一定位置加变容二极管，并通过直流电压控制其谐振频率，而变容二极管加载位置等物理因素都会影响谐振腔的品质因数等电学性能。大多数情况下，电可调滤波器在中心频率调整过程中，谐振器间耦合系数和输入/输出端的外界Q值的变化不大，因此绝对带宽往往发生变化，这就导致高频滤波器相较于中频滤波器有着更高的品质因数和更小的谐振器耦合系数，进而导致高频滤波器绝对带宽较窄。与中频滤波器相比，低频滤波器的品质因数更小，耦合系数更大，因此低频滤波器的绝对带宽更宽。因此, 实现绝对带宽恒定是可调滤波器的一个重要设计指标。

在众多绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器的研究与发明中，大部分都是通过谐振器某个区域的耦合使得其耦合系数k随频率增加而减小，因为只是耦合了某个部分，谐振器的其余部分被安置在多余的空间中，这无疑会影响滤波器的整体尺寸。申请号为202011031424.6发明名称为基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器的发明专利，实现了一种λ_g/4全耦合形式的绝对带宽恒定的频率可调滤波器，结构紧凑，调频范围较大，解决了现有λ_g/4全耦合形式的可调带通滤波器结构较大且调频范围较小的技术问题，但该带通滤波器使用缺陷地加载，在使用时需要在地板缺陷地部分下方留出空气腔，而不能直接将滤波器放置于金属腔体表面，因此，该滤波器在实际应用中向下占用了空间，增加了系统的体积。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术，提供基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，以微带电路形式实现四分之一波长全长平行耦合谐振器的发明目的，具有远离二次谐波带的优点，并具有扩展到更高阶滤波器的可能性，能够运用于可重构收发信机的射频前端，解决了现有可调滤波器为实现绝对带宽恒定需要以增加系统体积为代价的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器由上层微带线结构、中间层介质板以及底部金属板组成；上层微带结构由输入耦合电路、输出耦合电路和复合耦合谐振器所组成。每个耦合电路由两根均匀传输线和一个电容连接组成，连接在输入或输出端口的一根均匀传输线为一段长为L宽为W的50欧姆传输线，与谐振器平行的一根均匀传输线为一段长为L0宽为W1的窄传输线，两根均匀传输线通过电容C连接。复合耦合谐振器由N条平行耦合微带线和加载在微带线之间的电容组成，每根微带线的一端通过变容二极管控制滤波器中心频率的移动，可调电容越大，中心频率越小。复合耦合谐振器为平面对称结构。平行耦合微带线的长度均为L0，宽度一致为W2。耦合系数、品质因数等参数需根据所设计滤波器的带宽、中心频率等要求来确定。对于谐振器而言，电压最大的区域是电耦合最强的区域，电流最大的区域是磁耦合最强的区域。对于平面对称的复合耦合谐振器，变容二极管连接具有最高电场能量的谐振器，变容二极管的接地端连接磁场能量最大区域，因此，需要满足总耦合强度与频率成反比这一条件以实现滤波器绝对带宽恒定。

上述方案中，一个耦合电路与谐振器的距离为S。耦合电路中电容的容值为C，谐振器的N条微带线之间的距离分别为S1、S2 … Sn，微带线间各电容的加载位置离微带线连接变容二极管的一端的距离为L1、L2 … Ln，微带线间电容的容值为C1、C2 … Cn，其中，n为大于0的整数。由于上层微带线结构为平面对称结构，当N为奇数时，n=(N-1)/2，当N为偶数时，n=N/2。Sn、Ln、Cn需根据设计滤波器所需的理论耦合系数确定，而通过实验已知耦合系数与Sn成反比，即耦合系数随频率变化的曲线随Sn增大向下平移；Cn的位置离几何中心越近，即Ln绝对值越小，耦合系数曲线越向下平移且斜率绝对值越大；Cn的大小越大，耦合系数曲线越向下平移且斜率的绝对值越大，由此可通过改变Sn、Ln、Cn来贴近我们所需要的耦合系数曲线。上述S和C根据滤波器设计所需的品质因数确定，其中，品质因数与S成正比，即品质因数曲线随S的减小而向下平移，同时斜率绝对值略有减小；品质因数与电容C也成正比，即品质因数曲线随电容C的增大向上平移，同时斜率绝对值也有所减小。由此可通过改变S和C来切近我们所需要的品质因数曲线。至此，耦合系数与品质因数曲线确定后，通过全波仿真再进行参数微调可以得到我们想要的电可调滤波器的频率响应曲线。最后使用PCB工艺实现。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明通过在平面对称的平行耦合微带线之间加载电容，以微带电路形式实现四分之一波长全长平行耦合谐振器，调整电容耦合的位置、电容大小和平行耦合微带线之间的间距即可调控耦合系数随频率变化的曲线，使耦合系数与频率成反比，从而满足恒定带宽的设计要求，无需刻蚀缺陷地，使用时可以直接将滤波器置于金属腔体表面，结构简单紧凑，具有低回波损耗以及良好的传输特性。

（2）本发明的谐振器采用全平行耦合结构，便于扩展高阶滤波器。

（3）本发明因采用了全平行耦合结构的谐振器且通过加载在平行耦合线之间的电容控制耦合系数随频率变化的曲线，可采用PCB工艺在上金属层实现电可调滤波器电路，制造方便，时间成本低。

附图说明

图1（a）是本发明基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器的上层微带线结构图，图1（b）是N=2，n=1时的基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器的上层微带线结构图。

图2（a）是图1（b）所示电可调滤波器在0.7-0.9GHz时由变化规律最后确定的耦合系数曲线图，图2（b）是图1（b）所示电可调滤波器在0.7-0.9GHz时由变化规律最后确定的品质因数曲线图。

图3（a）是图1（b）所示电可调滤波器在0.7-0.9GHz的|S11|频率响应曲线，图3（b）是图1（b）所示电可调滤波器在0.7-0.9GHz的|S21|的频率响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出了一种基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，该滤波器由上层微带结构、中间层介质板和下层金属板组成。上层微带结构附着在中间层介质板的上表面，下层金属板附着在中间层介质板的下表面。

图1（a）为通用的基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器上层微带结构的示意图，可见其结构紧凑，由输入耦合电路、输出耦合电路和复合耦合谐振器组成。每个耦合电路由两条均匀传输线和连接电容C组成，连接在输入或输出端口的一条均匀传输线为一段长为L宽为W的50欧姆传输线，另一条平行于谐振器的均匀传输线为一段长为L0宽度为W1窄传输线。耦合谐振器由N条长为L0宽为W2的平行耦合微带线组成，平行耦合微带线的一端均接变容二极管的阳极，变容二极管的阴极通过过孔接地。谐振器为平面对称结构，传输线的几何中心处于同一水平线上。平行耦合微带线间加载有容值为Cn （n为上述大于0的整数）的电容，加载位置离可变电容的距离为Ln。耦合电路与谐振器的距离为S，平行耦合传输线间的距离为Sn。

具体实例：N=2，n=1时基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器：

图1（b）为N=2，n=1时的基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器上层微带结构的电路图。在实施例中，即设计了一款可变中心频率为0.7-0.9GHz,设计带宽为50MHz的二阶带宽恒定电可调滤波器。采用0.1dB通带波纹系数以及切比雪夫响应滤波器类型，查表知归一化元件值为g0=1，g1=0.8431，g2=0.622，g3=1.3554。变容二极管采用SNYWORNS公司的SMV-1408-040LF，电容值从2pF-4pF变化满足频率从0.7-0.9Ghz变化。由此可计算出2pf、3pf、4pf时我们需要的耦合系数曲线值分别为0.081、0.092、0.102对应品质因数曲线所需值为14.35、12.63、11.40。在本实施例中，中层介质基板材料使用Rogers 4003C,介电常数为3.55，厚度为0.508mm，该基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器经过HFSS电磁仿真软件的仿真优化后获得以下滤波器尺寸参数(长度单位：mm，电容单位：pf)：W=1.1，W1=0.5，W2=1，L=3.4，L0=35，L1=33，S=0.29，S1=0.7，C=6.5，C1=4。图2（a）是图1（b）所示基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器在0.7-0.9GHz时，由变化规律最后确定的耦合系数曲线图，图2（b）是图1（b）所示基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器在0.7-0.9GHz时，由变化规律最后确定的品质因数曲线图。

图3（a）为图1（b）所示基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器在0.7-0.9GHz的|S11|幅度响应（反射特性响应)曲线图，图3（b）为图1（b）所示基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器在0.7-0.9GHz的|S21|幅度响应（传输特性响应）曲线图，可见其中心频率为0.88、0.78、0.70GHz时,回波损耗均能够达到-15dB以下, 带宽分别为48MHz, 51Mhz、48Mhz，在满足要求的情况下基本保持恒定。

需要注意的是，本实施例仅显示了一个相对简单的二阶滤波器形式，用类似的方法在N大于2时（N一般不超过9），同样可以确定出上述参数，且通过增加阶数可以进一步改善滤波器的带外抑制。

以上仅为本发明的首选实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施方式的限制。对于本领域的技术人员而言，可以在不偏离本发明的发明宗旨的情况下进行一定的改进，这些改进也在本发明的保护范围内。

Claims

1.基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，其特征在于，其上层微带层包括：输入耦合电路、输出耦合电路、复合耦合谐振器，所述复合耦合谐振器为N条平行耦合微带线组成的对称结构，相邻两条平行耦合微带线之间连接有加载电容，每条平行耦合微带线的一端接一个变容二极管的阳极，各变容二极管的阴极通过过孔接地，所述输入耦合电路包含与复合耦合谐振器平行的窄传输线以及通过电容连接至窄传输线的50欧姆传输线，所述输出耦合电路与输入耦合电路关于复合耦合谐振器对称分布且结构相同，调节相邻平行耦合微带线的间距、加载电容与变容二极管的距离、加载电容的容值直至耦合系数与频率成反比，相邻平行耦合微带线的间距、加载电容的容值根据品质因数曲线确定。

2.根据权利要求1所述基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，其特征在于，增大相邻平行耦合微带线的间距以使耦合系数随频率变化的曲线向下平移，减小加载电容与变容二极管的距离以使耦合系数随频率变化的曲线向下平移并增大曲线斜率的绝对值，增大加载电容的容值以使耦合系数随频率变化的曲线向下平移并增大曲线斜率的绝对值。

3.根据权利要求1所述基于复合耦合结构的带宽恒定电可调滤波器，其特征在于，减小相邻平行耦合微带线的间距以使品质因数曲线向下平移并减小品质因数曲线斜率的绝对值，增大加载电容的容值以使品质因数曲线向上平移并减小品质因数曲线斜率的绝对值。