CN113488750B - 一种s21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波频段滤波器设计技术领域，具体提供一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器；包括：基板1，设置于基板上的依次连接的输入50欧姆微带线2、输入阻抗渐变过渡结构3、枝节连接微带线4、输出阻抗渐变过渡结构5及输出50欧姆微带线6，以及依次连接于枝节连接微带线上的输入枝节、周期性枝节、输出枝节，所述输入枝节、周期性枝节、输出枝节分别由金属枝节与VO2枝节连接构成。本发明利用输入枝节、周期性枝节、输出枝节中VO2枝节的相变特征，通过滤波器工作温度的有效调节，实现滤波器的S21传输矩阵可调；既可作为宽带范围内的直通器件，又可通过工作温度的精准控制来充当均衡器，还可作为带阻滤波器工作。

Description

一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器
技术领域
本发明属于微波频段滤波器设计技术领域，具体涉及一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器。
背景技术
在微波频段，滤波器被广泛应用于各种板级射频电路和收发组件中，在民用通信领域和军事应用中具有重大价值；其中，微带滤波器以其体积小、重量轻、频带宽等诸多优点应用尤其广泛。目前，大多数微带滤波器一经设计加工好，其传输矩阵也就得以确定，为了拓展滤波器在射频电路的应用宽度，有必要实现滤波器的S参数传输曲线可调。
为了适应多频段的通信要求，同时又要减少滤波器的数量，多频带滤波器是一个解决方法，但是多频带滤波器每增加一个频段，就需要增加谐振器的数量或者使用更加复杂的设计方法；然而，S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器能够在不增加谐振器数量的前提下满足通信系统多频段的要求。相变材料二氧化钒(VO2)是一种拥有非金属-金属的相变特性的氧化物，在加热、光照、电刺激等外界刺激下，其电阻将从0.1Ω至3×10-6Ω变化，并伴随着电学、光学、磁性和晶格结构的变化，且相变过程可逆。
因此，本发明基于二氧化钒(VO2)的相变特性设计得到一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，以满足通信系统多频段的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，通过利用二氧化钒(VO2)的相变特性来改变枝节的电导率进而实现在不同温度时不同的S21传输矩阵。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，包括：基板1，以及设置于基板上的输入50 欧姆微带线2、输入阻抗渐变过渡结构3、枝节连接微带线4、输出阻抗渐变过渡结构5、输出50欧姆微带线6、输入金属匹配枝节7、输入VO2匹配枝节8、周期性金属枝节9、周期性VO2枝节10、输出金属匹配枝节11、输出VO2匹配枝节12；其特征在于，所述输入50 欧姆微带线2、输入阻抗渐变过渡结构3、枝节连接微带线4、输出阻抗渐变过渡结构5及输出50欧姆微带线6依次连接；所述输入金属匹配枝节7与输入VO2匹配枝节8的宽度相同、且连接构成输入枝节，所述输出金属匹配枝节11与输出VO2匹配枝节12的宽度相同、且连接构成输出枝节，所述周期性金属枝节9与周期性VO2枝节10的宽度相同、且连接构成周期性枝节；所述输入金属枝节、输出金属枝节分别连接于枝节连接微带线的首端、尾端，且输入金属枝节与输出金属枝节之间等间距设置多个周期性枝节；所述输入金属匹配枝节7、周期性金属枝节9及输出金属匹配枝节11分别垂直连接于枝节连接微带线4。
进一步的，所述输入枝节与输出枝节结构、尺寸相同，所述输入阻抗渐变过渡结构3与输出阻抗渐变过渡结构5结构、尺寸相同，所述输入50欧姆微带线2与输出50欧姆微带线6结构、尺寸相同。
进一步的，所述输入50欧姆微带线2与输出50欧姆微带线6的宽度为枝节连接微带线 4的宽度的3/4。
进一步的，所述输入枝节与输出枝节的宽度小于周期性枝节的宽度。
进一步的，所述周期性枝节中，周期性VO2枝节10的长度为周期性金属枝节9的长度的1.8倍。
从工作原理上讲：
本发明中宽带带阻滤波器的S21传输矩阵可调基于器件的工作温度所决定，工作温度决定输入枝节、输出枝节中VO2枝节的电导率，电导率的变化进一步决定了滤波器的传输性质，进而实现滤波器的S21传输矩阵可调；当工作温度低于相变温度68度时，VO2处于绝缘态，电导率很低，此时器件呈现出直通微带线的性质，实现电磁波无损通过；当工作温度升高至大于68度时，VO2电导率快速升高，从绝缘态变化到金属态，此时器件工作在带阻滤波器状态。
进一步的，阻抗渐变过渡结构连接输入、输出及中间的周期性结构，使得工作带宽得以拓展，回波损耗更优，传输损耗降低；输入枝节、输出枝节与周期性枝节在VO2枝节处于金属态时，滤波器工作在带阻状态，同时电磁波在传输时会在相邻枝节间相互耦合，进而提高了滤波器的矩形系数。
综上，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，基于金属氧化物VO2枝节进行器件结构设计，并通过金属氧化物VO2的相变特性实现微带滤波器的S21传输矩阵可调；本发明既可作为宽带范围内的直通器件，又可根据VO2的温控特性，通过工作温度的精准控制来使器件充当均衡器、此时均衡精度仅受限于温控精度，当温度升高到使得VO2处于金属态时，此时器件处于带阻滤波器的工作状态。
附图说明
图1为本发明实施例中S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器的结构俯视图。
图2为本发明实施例中S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器的结构侧视图。
图3为本发明实施例中S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器的结构示意图；其中，1为 Rogers RT/duroid 5880(tm)基板，2为输入50欧姆微带线，3为输入阻抗渐变过渡结构，4为枝节连接微带线，5为输出阻抗渐变过渡结构，6为输出50欧姆微带线，7为输入金属匹配枝节结构，8为输入VO2匹配枝节结构，9为周期性金属枝节结构，10为周期性VO2枝节结构，11为输出金属匹配枝节结构，12为输出VO2匹配枝节结构。
图4为本发明实施例中当VO2处于金属态时滤波器的回波损耗曲线。
图5为本发明实施例中当VO2处于金属态时滤波器的插入损耗曲线。
图6为本发明实施例中当VO2处于绝缘态时滤波器的回波损耗曲线。
图7为本发明实施例中当VO2处于绝缘态时滤波器的插入损耗曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于VO2的S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，其结构如图1～图3 所示，包括：基板1，以及设置于基板上的输入50欧姆微带线2、输入阻抗渐变过渡结构3、枝节连接微带线4、输出阻抗渐变过渡结构5、输出50欧姆微带线6、输入金属匹配枝节7、输入VO2匹配枝节8、周期性金属枝节9、周期性VO2枝节10、输出金属匹配枝节11、输出 VO2匹配枝节12；其中，所述输入50欧姆微带线2、输入阻抗渐变过渡结构3、枝节连接微带线4、输出阻抗渐变过渡结构5及输出50欧姆微带线6依次连接；所述输入金属匹配枝节 7、输入VO2匹配枝节8、输出金属匹配枝节11及输出VO2匹配枝节12的宽度均相同，且输入金属匹配枝节7与输入VO2匹配枝节8连接构成输入枝节、输出金属匹配枝节11与输出V O2匹配枝节12连接构成输出枝节；所述周期性金属枝节9与周期性VO2枝节10的宽度相同，且连接构成周期性枝节；所述输入金属枝节、输出金属枝节分别连接于枝节连接微带线的首端、尾端，且输入金属枝节与输出金属枝节之间等间距设置多个周期性枝节；所述输入金属匹配枝节7、周期性金属枝节9及输出金属匹配枝节11分别垂直连接于枝节连接微带线4。
需要说明的是，所述输入枝节与输出枝节结构、尺寸相同，所述输入阻抗渐变过渡结构 3与输出阻抗渐变过渡结构5结构、尺寸相同，所述输入50欧姆微带线2与输出50欧姆微带线6结构、尺寸相同，使上述宽带带阻滤波器呈对称结构；上述枝节连接微带线4的首端指枝节连接微带线与输入阻抗渐变过渡结构的连接端、枝节连接微带线4的尾端指枝节连接微带线与输出阻抗渐变过渡结构的连接端。
另外，上述基于VO2的S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，根据设计者所需工作频带的不同和对回波损耗以及插入损耗要求的不同，周期性金属枝节和周期性VO2枝节的长度、宽度、以及个数与周期距离均可灵活变化，直至满足要求为止。
从工作原理上讲，根据系统需要，调节器件所处工作温度，使得VO2导电能力发生变化，使其从绝缘态到金属态过渡；通过精准的温度控制使得器件S21传输矩阵可调，进而实现该器件功能上从直通到滤波器、均衡器的变化。
更进一步的，本实施例中，选择厚度为0.254mm的Rogers RT/duroid 5880(tm)基片作为基板，在三维电磁仿真软件High Frequency Structure Simulator(HFSS)中建立起如图1、图2 所示的滤波器结构，其中各结构名称和特征如下表一所示。在进行实际应用设计时，各枝节及微带的长度和宽度均可根据需要进行调整来实现更优的回波损耗以及更低的插入损耗， VO2枝节和金属枝节紧密相连来提高器件的可调性；仿真结果如下图4～图7所示。
表一：S21传输矩阵可调的宽带滤波器各结构尺寸
Figure BDA0003108011950000041
Figure BDA0003108011950000051
如图4和图5所示分别为当VO2枝节处于金属态时器件的仿真回波损耗曲线和插入损耗曲线，此时VO2枝节的体电导率为50000siemens/m，可以看出，此时该结构对3～7GHz的电磁波有良好的抑制作用；如图6和图7所示分别为当VO2枝节处于绝缘态时器件的仿真回波损耗曲线和插入损耗曲线，此时VO2枝节的体电导率为140siemens/m，可以看出，此时该结构呈现出直通特性，在1～10GHz的电磁波可以做到无损通过，且匹配特性极好；由此可见，本发明提供的S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，在合适的温度下分别具有良好的直通特性和带阻特性，实现了S21传输矩阵的可调。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，包括：基板(1)，以及设置于基板上的输入50欧姆微带线(2)、输入阻抗渐变过渡结构(3)、枝节连接微带线(4)、输出阻抗渐变过渡结构(5)、输出50欧姆微带线(6)、输入金属匹配枝节(7)、输入VO2匹配枝节(8)、周期性金属枝节(9)、周期性VO2枝节(10)、输出金属匹配枝节(11)、输出VO2匹配枝节(12)；其特征在于，所述输入50欧姆微带线(2)、输入阻抗渐变过渡结构(3)、枝节连接微带线(4)、输出阻抗渐变过渡结构(5)及输出50欧姆微带线(6)依次连接；所述输入金属匹配枝节(7)与输入VO2匹配枝节(8)的宽度相同、且连接构成输入枝节，所述输出金属匹配枝节(11)与输出VO2匹配枝节(12)的宽度相同、且连接构成输出枝节，所述周期性金属枝节(9)与周期性VO2枝节(10)的宽度相同、且连接构成周期性枝节；所述输入金属匹配 枝节、输出金属匹配 枝节分别连接于枝节连接微带线的首端、尾端，且输入金属匹配 枝节与输出金属匹配 枝节之间等间距设置多个周期性枝节；所述输入金属匹配枝节(7)、周期性金属枝节(9)及输出金属匹配枝节(11)分别垂直连接于枝节连接微带线(4)。
2.按权利要求1所述S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，其特征在于，所述输入枝节与输出枝节结构、尺寸相同，所述输入阻抗渐变过渡结构(3)与输出阻抗渐变过渡结构(5)结构、尺寸相同，所述输入50欧姆微带线(2)与输出50欧姆微带线(6)结构、尺寸相同。
3.按权利要求1所述S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，其特征在于，所述输入50欧姆微带线(2)与输出50欧姆微带线(6)的宽度为枝节连接微带线(4)的宽度的3/4。
4.按权利要求1所述S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，其特征在于，所述输入枝节与输出枝节的宽度小于周期性枝节的宽度。
5.按权利要求1所述S21传输矩阵可调的宽带带阻滤波器，其特征在于，所述周期性枝节中，周期性VO2枝节(10)的长度应为周期性金属枝节(9)的长度的1.8倍。
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