CN113810021A - 一种新型可重构滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型可重构滤波器，包括以级联方式连接的两个滤波器单元，一个为无源滤波单元控制上边带滤波特性，一个为有源滤波单元控制下边带滤波特性，滤波器单元配置在介质集成悬置线上。本发明基于介质集成悬置线平台，通过级联有源高通和无源低通滤波器，可以选择不同低通响应和高通结构，实现电路可重构、极点零点可控，使得滤波响应充分贴合系统需求，灵活可变；同时有源高通和无源低通滤波器组合可充分利用有源电路集成度高及无源电路工作在高频时体积小的特点来缩小整体电路体积，有源模组还可额外提供功率补偿。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别是涉及一种新型可重构滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的快速发展和信息源的多样化，单一的窄带工作频段模式已经无法满足军事和民用的需求。同时，5G通信出现也对无线通信系统提出了大带宽和多频带等更苛刻的要求。滤波器作为射频收发机的关键元件，承担着频率选择或者频率抑制作用。若在射频收发机中采用多组滤波器，不但成本高而且也不利于小型化。因此，可重构滤波器就成为解决以上问题的有效手段。
随着可重构滤波器的发展以及实际应用的需要，学者们已经提出了多种可重构滤波器的设计思路。列举部分文献已经提出的解决方案，第一种方法是采用微带线结构，通过在谐振器上和谐振器之间分别引入可变电容实现了一种频率和带宽可重构滤波器；第二种方法是采用多模谐振器结构，通过调节各个谐振模的频率及谐振摸之间的频率差来实现频率和带宽可重构滤波器。第三种方法是采用有源滤波结构，通过切换电容电阻网络来实现不同的带宽、中心频率和增益。以上控制策略存在原理复杂，通带插入损耗较大，或者工作频段比较受限的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种频率、带宽和增益均可重构的新型可重构滤波器。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种新型可重构滤波器，包括以级联方式连接的两个滤波器单元，一个为无源滤波单元控制上边带滤波特性，一个为有源滤波单元控制下边带滤波特性，所述滤波器单元配置在介质集成悬置线上。
其中，有源滤波单元采用有源RC滤波器，无源滤波单元采用低通频响滤波特性单元或带阻频响滤波特性单元。
其中，无源滤波单元采用无源LC谐振网络。
其中，所述滤波器单元配置在介质集成悬置线的G5和G6层。
其中，所述无源滤波单元由电感L1,电容C1、C2、C3、C4构成，所述有源滤波单元由电阻R1、R2、R3、R4、Rc、电容Cc、C5以及一个运算放大器构成；电容C1、C2并联在电感L1的两端，另一端的均接地，电容C3接在电感L1的两端之间，电容C4的一端与电容C2、电感L1的连接端相接，电容C4的另一端接电容C5、电阻R2的连接端，电容C5的另一端接接电阻R1的一端、电阻Rc的一端以及运算放大器的正相输入端，电阻R1另一端接地，电阻Rc的另一端与电容Cc的一端相接形成串联，电容Cc的另一端与电阻R2的另一端、电阻R4的一端以及运算放大器的输出端相接，运算放大器的负相输入端与电阻R3一端相接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端与运算放大器负相输入端相接。
本发明的新型可重构滤波器，基于介质集成悬置线平台，通过级联有源高通和无源低通滤波器，可以选择不同低通响应和高通结构，实现电路可重构、极点零点可控，使得滤波响应充分贴合系统需求，灵活可变；同时有源高通和无源低通滤波器组合可以充分利用有源电路集成度高以及无源电路工作在高频时体积小的特点来缩小整体电路体积，有源模组还可额外提供功率补偿。
附图说明
图1是压控电压源式(VCVS)二阶有源RC滤波器示意图。
图2为本发明的新型可重构滤波器的结构示意图。
图3-图4分别为新型的可重构滤波器S参数仿真结果图，其中图3表示滤波器的下边带截止频率为100KHz，图4表示上边带截止频率为1GHz且带外有两个零点
图5为介质集成悬置线(SISL)的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明实施例的新型可重构滤波器，是以级联方式连接两个滤波器单元，一个为无源滤波单元控制上边带滤波特性，一个为有源滤波单元控制下边带滤波特性。
首先分析有源滤波单元的核心思路。有源滤波单元采用有源RC滤波器，由运算放大器、电阻、电容组成。有源RC滤波器是闭环结构，这种类型的滤波器的优点是线性度很高，动态范围好。对于典型的压控电压源式(VCVS)二阶有源RC滤波器而言，如图1所示，令S＝jω，电路的传递函数为：
其截止频率和通带增益表达式可表示为：
A0＝1+r3/r4 (3)
其中截止频率的单位是赫兹(Hz)。根据截止频率解析式可知，通过改变R，C的数值，便可方便地改变截止频率。A0为电路直流增益，通过改变R3、R4的数值，实现增益的调节。
本发明需要有源滤波部分提供高通响应，所以要通过滤波器之间的频率变换，求出高通滤波器的传输函数，当设计的低通滤波器的截止频率为ω0(ω0≠1)，从低通到低通的变化公式为：
也就是，只要计算：
就得到了截止频率为ω0(ω0≠1)的低通滤波器的传递函数H低通(S)。
低通与高通滤波器之间的频率变换可表示为：
所以只要计算
便得到了截止频率为ω0的高通滤波器的的传递函数H高通(S)。
然后分析无源滤波单元的核心思路。无源滤波部分可采用低通频响滤波特性单元或带阻频响滤波特性单元，本发明采用典型LC谐振网络，对于一个n阶滤波器，其传递函数一般可以写成：
其中，一般情况下都有m≤n，且m、n都为正整数，n代表了滤波器的阶数。分子多项式系数bm、bm-1…b0决定了零点的分布与位置，即决定了滤波器的类型是低通、高通、带通、带阻还是全通。而分母多项式系数an-1…a0则决定了极点的位置与分布，即决定了滤波器的截止频率、通频带的平坦度和过渡带的陡度等参数。不同的传递函数决定了滤波器不同的频响特性，比如巴特沃斯型、切比雪夫型、椭圆函数等，从而实现上边带滤波单元的极点、零点可重构。
综合有源滤波和无源滤波单元的主要思路，所提出的可重构滤波器结构如图2示，所述无源滤波单元由电感L1,电容C1、C2、C3、C4构成，所述有源滤波单元由电阻R1、R2、R3、R4、Rc、电容Cc、C5以及一个运算放大器构成；电容C1、C2并联在电感L1的两端，另一端的均接地，电容C3接在电感L1的两端之间，电容C4的一端与电容C2、电感L1的连接端相接，电容C4的另一端接电容C5、电阻R2的连接端，电容C5的另一端接接电阻R1的一端、电阻Rc的一端以及运算放大器的正相输入端，电阻R1另一端接地，电阻Rc的另一端与电容Cc的一端相接形成串联，电容Cc的另一端与电阻R2的另一端、电阻R4的一端以及运算放大器的输出端相接，运算放大器的负相输入端与电阻R3一端相接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端与运算放大器负相输入端相接，其中运算放大器的输出端作为信号输出端，电感L1、电容C1的连接端作为信号输入端，如图2所示。
本发明实施例，用无源LC网络级联有源滤波结构，形成级联带通滤波器的同时将整体电路的输入端阻抗匹配到标准50欧姆体系，充分利用了有源和无源滤波结构的工作频率特性，使得带通滤波电路的通带频率可以覆盖KHz到GHz量级，且带内具有可变增益。
下面，对形成本发明新型可重构滤波器的过程说明如下：
第一步：选取合适的工作频段。充分利用有源滤波与无源滤波结构的频率特性，如选择下边带截止频率为100KHz，上边带截止频率为1GHz。
第二步：确定滤波器阶数。对于有源高通滤波单元，如采用三阶sallen-key结构实现巴特沃斯滤波响应，如图2所示，根据其传递函数：
其中，A0为电路直流增益，WC为高通截止频率。
为简化计算，令A0＝1，选取C＝C1＝C2：
a1、b1为滤波器的滤波系数，查表可得a1、b1值，给定C值后：
便可以得出截止频率为fC电路所需的电容和电阻值。
无源滤波单元如采用三阶LC带阻滤波器，根据其截止频率：
选择合适的电感L和电容C实现1GHz的上边带截止频率。
第三步：设计匹配网络。有源滤波电路采用了运算放大器电路，而运算放大器具有输入阻抗无穷大输出阻抗为0的特点，为满足整体电路与50欧姆传输体系兼容问题，需要在输入端串联LC匹配网络，保证设计的带通滤波器输入输出端与50欧姆体系匹配良好。
第四步：基于介质集成悬置线平台搭建新型可重构滤波器的电路结构。介质集成悬置线(Substrate Integrated Suspension Line,SISL)是一种性能非常优良的新型微波传输线系统，其具有低损耗、低色散、低成本、自封装等特性，在融合了传统波导悬置线优点的同时，也克服了波导悬置线的固有缺点。其充分利用了多层电路板结构和现有的PCB层叠加工技术，对多层电路板内部局部开槽已形成空气腔，从而构成了一种新型的介质集成悬置线。如图4所示，一般的SISL结构主要由五层PCB板构成，每层PCB板由一层介质和两层金属层组成，因此整个SISL结构共包括15层，其中金属层从上到下命名为G1～G10，介质层从上到下命名为Substrate1～Substrate5，其中电路设计主要集中在G5与G6层进行。通过对介质基板挖槽的手段来形成设计所需要的空气腔，然后通过介质板覆盖封装在一起形成了最后的SISL结构。SISL结构的电磁屏蔽主要是通过顶层和底层的金属层以及电路周围的金属过孔来实现的，这些金属过孔与多层PCB金属走线相结合，可以及其方便的实现电路中互联所需要的纵向与横向走线。本发明在G5和G6层布线，在Substrate2、Substrate4介质层部分挖除后形成空气腔，充分利用了平台的优势。
第五步：通过电磁软件(HFSS)对整个电路结构仿真并优化最终得到最优的电路结构设计。
第六步：对新型可重构滤波器进行版图的绘制和加工，最后对加工实物进行测试。
本发明的搭建在介质集成悬置线上的新型可重构滤波器，具有以下优点：结构紧凑，有源高通和无源低通级联成带通滤波器，通过选择不同低通响应和高通结构，实现电路可重构极点零点可控；有源高通和无源低通滤波器组合缩小电路体积，有源模组同时还可提供功率补偿。有较好的频率选择性和带外抑制，S21和S11的仿真曲线图如图3所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.新型可重构滤波器，其特征在于，包括以级联方式连接的两个滤波器单元，一个为无源滤波单元控制上边带滤波特性，一个为有源滤波单元控制下边带滤波特性，所述滤波器单元配置在介质集成悬置线上。
2.根据权利要求1所述新型可重构滤波器，其特征在于，有源滤波单元采用有源RC滤波器，无源滤波单元采用低通频响滤波特性单元或带阻频响滤波特性单元。
3.根据权利要求2所述新型可重构滤波器，其特征在于，无源滤波单元采用无源LC谐振网络。
4.根据权利要求1所述新型可重构滤波器，其特征在于，所述滤波器单元配置在介质集成悬置线的G5和G6层。
5.根据权利要求1-4任一项所述新型可重构滤波器，其特征在于，所述无源滤波单元由电感L1,电容C1、C2、C3、C4构成，所述有源滤波单元由电阻R1、R2、R3、R4、Rc、电容Cc、C5以及一个运算放大器构成；电容C1、C2并联在电感L1的两端，另一端的均接地，电容C3接在电感L1的两端之间，电容C4的一端与电容C2、电感L1的连接端相接，电容C4的另一端接电容C5、电阻R2的连接端，电容C5的另一端接接电阻R1的一端、电阻Rc的一端以及运算放大器的正相输入端，电阻R1另一端接地，电阻Rc的另一端与电容Cc的一端相接形成串联，电容Cc的另一端与电阻R2的另一端、电阻R4的一端以及运算放大器的输出端相接，运算放大器的负相输入端与电阻R3一端相接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端与运算放大器负相输入端相接。
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