CN113948835B - 一种基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关，包括：第一PCB，其上设置有输入端；第二PCB，其上设置有输出端；第一和第二PCB均包括依次层叠设置的馈电层、介质层和地板层；屏蔽壳体，设置在第一和第二PCB之间并与第一和第二PCB围合形成屏蔽腔；单体四模介质谐振器，设置在屏蔽腔内；其中，第一和第二PCB的馈电层包括微带线和与其连接的开关控制电路，馈电层与介质谐振器的表面接触，可实现滤波开关切换功能。本申请所提出的滤波开关同时拥有双频滤波和开关的集成功能，兼具了低损耗双频开启传输和高水平双频关断隔离的高性能、小型化和易于集成的特点。

Description

一种基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关
技术领域
本发明涉及滤波开关技术领域，尤其涉及一种基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关。
背景技术
介质谐振器(DR)不仅由于其高品质因数(Q值)、高功率容量和热稳定性，而且由于其在减小质量和体积方面的潜力，被广泛应用于高性能滤波设计中。在过去的十年中，已经报道了各种单模DR滤波器。然而，由于单模操作，需要大量的谐振器，从而造成体积庞大。因此，为了减小尺寸，业界研究了双模/多模介质谐振器。
滤波器和开关是时分(TDD)通信系统的两类重要器件，通常进行分立设计而后级联使用，但带来损耗和体积较大的缺陷。将两者进行融合设计，即得到仅需单一器件体积的滤波开关。但目前主流的滤波开关大多限于单频的操作模式。为了满足双频时分通信系统的要求，在印制电路板(PCB)技术上已经报道了几款双频滤波开关。但这些双频滤波开关都是需要将两个单频滤波开关通过双工结或双频带变换器在其输入和输出端口组合而成。这种并联组合的方法，会导致滤波开关需要大量的谐振器，使得滤波开关体积庞大。同时，这些设计在二极管导通时获得开关的开启状态。因此，二极管等效电阻的损耗被引入开启通带，从而恶化了传输性能。此外上述双频开关均采用平面微带结构设计，损耗相对较大。
因此，使用多模高品质因数的介质谐振器设计一种高性能和高集成化的双频滤波开关是非常有必要的。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，针对现有双频滤波开关损耗大和/或体积大的缺陷，提供一种高性能并且结构紧凑的双频滤波开关。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关，包括：
第一印制电路板(PCB)，其上设置有输入端；
第二PCB，其上设置有输出端；所述第一和第二PCB，均包括依次层叠设置的馈电层、介质层和地板层；其中，所述输入端与所述第一PCB的馈电层电气连接，所述输出端与所述第二PCB的馈电层电气连接；
屏蔽壳体，设置在所述第一和第二PCB之间并与所述第一和第二PCB围合形成屏蔽腔；
单体四模介质谐振器，设置在所述屏蔽腔内；
其中，所述第一和第二PCB的馈电层均面对所述单体四模介质谐振器设置，且每一所述馈电层上均形成有馈电结构，所述馈电结构包括两条垂直相交的微带线，所述馈电结构与所述单体四模介质谐振器的表面接触；所述第一和第二PCB上均设有四路短路钉，分别用以将其上的微带线的四个末端连接至所述地板层；
其中，两条垂直相交的微带线的各一末端前设置有开关控制电路，所述开关控制电路用于控制所述双频滤波开关在双频开启传输和双频关断隔离的状态间切换。
优选地，所述屏蔽壳体包括两组相对侧壁，其中一组相对侧壁沿纵向设置，另外一组相对侧壁沿横向设置；
每一组所述相对侧壁的两个侧壁上分别对称设置一调谐螺钉，所述调谐螺钉用于调节所述单体四模介质谐振器的谐振频率。
优选地，所述单体四模介质谐振器上开设有两个分别朝向所述第一和第二PCB的孔，所述孔的形状为长方体。
优选地，每条所述微带线的第一端通过一所述开关控制电路连接至一所述短路钉；每条所述微带线的第二端与一所述短路钉直接电气连接；所述馈电结构的两条微带线垂直相交于第一交点，且相对所述第一交点呈中心对称。
优选地，所述屏蔽腔和所述单体四模介质谐振器均为长方体；所述单体四模介质谐振器的中心点与所述屏蔽腔的中心点重叠；所述第一交点位于所述屏蔽腔的中轴线上。
优选地，所述第一PCB和所述第二PCB的结构与形状相同。
优选地，所述单体四模介质谐振器具体为具有四种不同的谐振模式的谐振器，其中，所述谐振器的两个谐振模式用于形成第一滤波通带，另外两个谐振模式用于形成第二滤波通带。
优选地，所述开关控制电路包括：二极管和偏置电路；所述二极管的阴极连接至所述短路钉，所述二极管的阳极连接至所述偏置电路的第一端，所述偏置电路的第二端连接至所述微带线的一末端；
其中，所述二极管反向偏置时，所述单体四模介质谐振器的四种谐振模式被同步激励，从而使所述双频滤波开关进入开启状态；所述二极管正向偏置时，所述单体四模介质谐振器的四种谐振模式被同步抑制，从而使所述双频滤波开关进入断开状态。
优选地，所述地板层上与所述开关控制电路垂直对应的区域附近开设有槽口，所述槽口用于创设滤波响应所需的传输零点。
优选地，在所述第一PCB和所述第二PCB上的两个所述槽口相对于所述单体四模介质谐振器的中心对称。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本申请的双频滤波开关在低插入损耗和高水平隔离方面均实现了非常高的性能。此外，由于使用了单体四模介质谐振器，设计中使用了最少数量的谐振器，从而实现了紧凑的尺寸。综上所述，充分利用多模高Q介质谐振器和平面馈电结构，所提出的开关同时具有双频操作的高性能、谐振器最少的小型化尺寸和易于集成的优势。这些特性使所提出的开关有望用于高标准多频时分双工(TDD)通信系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双频滤波开关结构示意图；
图2是本发明提供的双频滤波开关侧视部分结构示意图；
图3是本发明提供的双频滤波开关拓扑结构示意图；
图4是本发明提供的开关控制电路结构示意图；
图5是本发明提供的介质谐振器在(a)模式1、(b)模式2、(c)模式3和(d)模式4的电场和磁场示意图；
图6是本发明提供的双频滤波开关开启状态即二极管反向偏置时开关的四模激励机制示意图；
图7是本发明提供的双频滤波开关断开状态即二极管反向偏置时开关的四模抑制机制示意图；
图8是本发明提供的双频滤波开关的仿真和测量结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1和图2，基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关包括：第一PCB110、第二PCB120、屏蔽壳体200和单体四模介质谐振器300。
第一PCB110设置有输入端113。第二PCB120上设置有输出端121。第一PCB110和第二PCB120均包括依次层叠设置的馈电层111、介质层114和地板层112。优选地，第一PCB110和第二PCB120的结构与形状相同，即第一PCB和第二PCB立体结构形状均相同，且二者对应的馈电层(或地板层)上的布线也相同。其中，输入端113与第一PCB110的馈电层111电气连接，输出端121与第二PCB120的馈电层111电气连接。
屏蔽壳体200，设置在第一和第二PCB120之间并与第一和第二PCB120围合形成屏蔽腔400。单体四模介质谐振器300，设置在屏蔽腔400内。
其中，第一PCB110和第二PCB120的馈电层111均面对单体四模介质谐振器300设置，且每一馈电层111上均形成有馈电结构130，馈电结构130包括两条垂直相交的微带线1(对应标号131)和微带线2(对应标号132)，馈电结构130与介质谐振器300的表面接触；第一和第二PCB120上均设有四个短路钉160，分别用以将其上的微带线的四个末端连接至地板层112。对于每条微带线，需要配制两个短路钉160。其中，两条垂直相交的微带线的各一末端前设置有开关控制电路150，开关控制电路150用于控制双频滤波开关在双频开启传输和双频关断隔离的状态间切换。通过设置馈电结构130两条微带线131和132垂直相交，可以使双频滤波开关的两个滤波通带之间能实现独立控制，互不干扰。
优选地，每条微带线的第一端通过一开关控制电路150连接至一短路钉160；每条微带线的第二端与一短路钉160直接电气连接；馈电结构130的两条微带线垂直相交于第一交点，且相对第一交点呈中心对称。通过设置馈电结构130的两条微带线相对第一交点呈中心对称，可以提高双频滤波开关的隔离性能。
如图1和图2所示，进一步地，屏蔽壳体200包括两组相对侧壁，其中一组相对侧壁沿纵向设置，另外一组相对侧壁沿横向设置；每一组相对侧壁的两个侧壁上分别对称设置一调谐螺钉500。调谐螺钉500用于调节单体四模介质谐振器300的谐振频率。具体地，屏蔽壳体200可以为一长方体，其两组侧壁对应为长方体的四个侧面，且在四个侧面的中心点上设置调谐螺钉500。调谐螺钉500螺接进屏蔽壳体200的侧壁内并延伸至屏蔽腔400内。在本申请的一个实施例中，如图2所示，调谐螺钉500与单体四模介质谐振器300之间具有间隙410。
如图1所示，单体四模介质谐振器300的长度a、宽度b和高度c分别沿x轴、y轴和z轴，其上开设有两个分别朝向第一和第二PCB 110和120的孔310，孔310的形状为长方体。通过设置孔310，可以用其容纳将微带线与输入端进行电气连接的焊料，此外，通过调整孔310的深度，可以实现控制单体四模介质谐振器300的谐振频率。其中，一对调谐螺钉500沿x轴方向对齐，另一对调谐螺钉500沿y轴对齐。沿x轴方向设置的螺钉500深入屏蔽腔400的深度为D1，沿y轴方向设置的螺钉500深入屏蔽腔400的深度为D2。
为了更进一步地提高双频滤波开关的隔离性能，屏蔽腔400和单体四模介质谐振器300均为长方体，且单体四模介质谐振器300的中心点与屏蔽腔400的中心点重叠，第一交点位于屏蔽腔400的中轴线上。
具体地，单体四模介质谐振器300为具有四种不同的谐振模式的谐振器300。其中，如图3所示，谐振器300的前两个谐振模式用于形成第一滤波通带(以下简称第一通带)，另外两个谐振模式用于形成第二滤波通带(以下简称第二通带)。其中，滤波通带具体为双频滤波开关允许通过信号的频率范围。
上述四种不同的谐振模式在此命名为模式1–4。它们的电场(E场)和磁场(H场)如图5所示。为简单起见，这两个孔310被移除，因为它们几乎不会影响场的模式形态。观察到，模式1和模式3是一对简并模式，具有相似的场分布。它们在中心平面上的电场都与该平面平行。不同的是，模式2和模式4是另一对简并模式，它们的电场垂直于中心平面。更重要的是，两个简并模对之间存在一些共同点。其中，模式1和模式2的电场沿x轴变化，并且它们相对于平面yoz奇对称。此外，模式3和模式4的电场沿y轴变化，且其相对于平面xoz奇对称。因此，基于上述四模场的共性和多样性，四种模式可以灵活调整。单体四模介质谐振器可工作于四个谐振模式下。单体四模介质谐振器的调节策略为：
单体四模介质谐振器300的模式2由孔310的深度Lc调节；
单体四模介质谐振器300的模式4由单体四模介质谐振器300的长度a调节，并且不会影响模式2；
单体四模介质谐振器300的模式3由单体四模介质谐振器300的高度c调节，并且不会影响模式2和4；
单体四模介质谐振器300的模式1由调谐螺钉500深入屏蔽腔的长度D1调节，并且不会影响模式2，3和4。
在本申请的一个实施例中，如图1所示，在每个馈电结构130中，两条十字形微带线131和132分别沿着x轴方向和y轴方向设置。在第一PCB和第二PCB 110和120上，连接在x轴方向设置的两条微带线131端部的两个开关控制电路150相对于单体四模介质谐振器300呈中心对称。在第一PCB和第二PCB110和120上，连接在y轴方向设置的两条微带线132端部的两个开关控制电路150相对于单体四模介质谐振器300呈镜像对称。应理解，开关控制电路150的布置方式有很多种，本领域技术人员在本申请的教导下，还可以推导出很多可行的布置方式，在此并不限制。
具体地，如图4所示，开关控制电路150包括：二极管151和偏置电路152。二极管151具体可以为PIN二极管，其中，PIN二极管指的是在原有的PN结型二极管的N型半导体与P型半导体间再增加一层本征半导体(I层)的二极管。二极管151的阴极连接至短路钉160，二极管151的阳极连接至偏置电路152的第一端，偏置电路152的第二端连接至微带线的一末端。具体地，偏置电路152包括电感L和电容C。其中电感L的第一端与电容C的第一端连接，电容C的第一端与二极管151的阳极连接，电容C的第二端与微带线131(132)的一末端连接，电感L的第二端在使用中与直流电源(DC)连接。
其中，采用连接有二极管的微带线作为可切换馈电结构，便于与其它实际平面电路集成。当二极管反向偏置时，单体四模介质谐振器300的四种谐振模式同时激励，以达到开关的导通(ON)状态，以这种方式，不会引入二极管的额外损耗，从而实现低损耗传输，并且充分利用四模正交性和分集性，可以为双频滤波开关独立构造和设计两个滤波通带。相反，当二极管正向偏置时，单体四模介质谐振器300的四种谐振模式可同时消除，以达到开关的关闭(OFF)状态，从而使双频滤波开关形成高水平双频隔离。
进一步地，地板层112上与开关控制电路150垂直对应的区域附近开设有槽口140，槽口140用于创设滤波响应所需的传输零点。作为一种优选方式，在第一PCB110和第二PCB120上的两个槽口140相对于单体四模介质谐振器300的中心对称。在本申请的一个实施例中，槽口140沿着y轴方向延伸。应理解，槽口140的开设方式还有很多种，例如还可以沿x轴方向延伸，在此并不限制。
本申请的双频滤波开关在低插入损耗和高水平隔离方面均实现了非常高的性能。此外，由于使用了单体四模介质谐振器，设计中使用了最少数量的谐振器，从而实现了紧凑的尺寸。综上所述，充分利用多模高Q介质谐振器和平面馈电结构，所提出的开关同时具有双频操作的高性能、谐振器最少的小型化尺寸和易于集成的优势。这些特性使所提出的开关有望用于高标准多频时分双工(TDD)系统。
下面将对双频滤波开关的导通和关闭状态进行进一步描述。
导通状态
对于导通状态，所有四种模式应同时被激励。各二极管均反向偏置以实现这种导通状态。在这种情况下，馈电结构的水平和垂直部分均等效为一端短路，另一端开路，用以同步激励四种模式，进而形成双通带，如图3所示。下面详细说明了四模的激励和双通带形成的机理。
如图3，模式1和模式2用于构造第一通带。图6(b)和(c)分别绘制了这两种模式的激发机制。在图6(b)中，微带线1的一端等效为开路(O.C.)，另一端等效为短路(S.C.)，这种情况下其电场也如图6(b)所示。基于微带线1的不对称电场和模式1的奇对称电场，可得模式1与不对称微带线1间的耦合量非零，所以模式1可由不对称微带线1激励。另一方面，由于模式1和2的电场相互垂直，微带线2不会激发或影响模式1。也就是说，对于模式1的激励和操纵，微带线2不起作用，只应关注微带线1。类似地，对于模式2，基于图6(c)，只有微带线1起作用，对其进行激励馈电。综上，对于模式1和模式2，仅运行微带线1即可向其馈电。
基于上述分析，图6(d)给出了对于模式1和模式2的简化结构。通过使用微带线，模式1和模式2同时被激励，以形成第一通带。因此，图6(e)示出了2.8GHz处的二阶第一通带。
另一方面，对于模式3和模式4，根据图6(f)和(g)，类似地可以在馈电结构中忽略微带线1，只需考虑微带线2。相应的简化结构如图6(h)所示。具体地说，通过使用微带线2，模式3和模式4同步被激励，以形成第二通带。因此，在图6(i)中，在2.9GHz处形成二阶第二通带。总之，通过组合图6(d)和(h)中的结构，实现了图1中的完整结构。也就是说，当二极管反向偏置时，所有四种模式同时被激励以获得双频带响应。此外，充分利用四模正交性，两个通带可独立产生和控制，有助于简化设计。
关闭状态
相反，对于关闭状态，所有四种模式都应被消除。在此，所有二极管均为正向偏置以构成关断状态。相应地，馈电结构在其四个末端均等效为短路，如图7(a)所示。图7(b)-(e)绘制了这种情况下四种模式和微带线1和微带线2的电场。可以看到，此时微带线1两端均等效为短路，其电场呈偶对称分布，结合模式1的奇对称电场，可得模式1与微带线2间耦合量为零；同理地，基于四种模式与微带线1和2的电场，可得到四种模式与微带线1和2的耦合量均为零。
这意味着四种模式均不能被馈电结构的水平或垂直分量激励。综上，在二极管正向偏置的情况下，四种模式同时被抑制，从而实现开关的双频高隔离度。
图8(a)和(b)分别给出了双频滤波开关ON状态和OFF状态的仿真及测量结果。如图8(a)所示，滤波开关开启，两个通带位于2.8和2.9GHz，插入损耗分别为0.59和0.63dB。在两个频段中都确保了优于20dB的回波损耗。此外，在下阻带、中阻带和上阻带中观察到三个传输零点，提高了选择性，在高达3.5GHz时仍保持低于-27dB的带外抑制。对于关闭状态，从图8(b)可见，两个中心频率处的隔离度分别为45和63dB。此外，在所关注的频率范围内实现了高于41dB的隔离度。总之，在所提出的双频滤波开关中，仅使用单个四模DR，即可以小型化的尺寸实现低损耗传输、高选择性和高水平抑制关断状态。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于单体四模介质谐振器的双频滤波开关，其特征在于，包括：
第一印制电路板(PCB)，其上设置有输入端；
第二PCB，其上设置有输出端；所述第一和第二PCB，均包括依次层叠设置的馈电层、介质层和地板层；其中，所述输入端与所述第一PCB的馈电层电气连接，所述输出端与所述第二PCB的馈电层电气连接；
屏蔽壳体，设置在所述第一和第二PCB之间并与所述第一和第二PCB围合形成屏蔽腔；
单体四模介质谐振器，设置在所述屏蔽腔内；
其中，所述第一和第二PCB的馈电层均面对所述单体四模介质谐振器设置，且每一所述馈电层上均形成有馈电结构，所述馈电结构包括两条垂直相交的微带线，所述馈电结构与所述单体四模介质谐振器的表面接触；所述第一和第二PCB上均设有四路短路钉，分别用以将其上的微带线的四个末端连接至所述地板层；
其中，两条垂直相交的微带线的各一末端前设置有开关控制电路，所述开关控制电路用于控制所述双频滤波开关在双频开启传输和双频关断隔离的状态间切换。
2.根据权利要求1所述双频滤波开关，其特征在于，所述屏蔽壳体包括两组相对侧壁，其中一组相对侧壁沿纵向设置，另外一组相对侧壁沿横向设置；
每一组所述相对侧壁的两个侧壁上分别对称设置一调谐螺钉，所述调谐螺钉用于调节所述单体四模介质谐振器的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的双频滤波开关，其特征在于，所述单体四模介质谐振器上开设有两个分别朝向所述第一和第二PCB的孔，所述孔的形状为长方体。
4.根据权利要求1所述的双频滤波开关，其特征在于，每条所述微带线的第一端通过一所述开关控制电路连接至一所述短路钉；每条所述微带线的第二端与一所述短路钉直接电气连接；所述馈电结构的两条微带线垂直相交于第一交点，且相对所述第一交点呈中心对称。
5.根据权利要求4所述的双频滤波开关，其特征在于，所述屏蔽腔和所述单体四模介质谐振器均为长方体；所述单体四模介质谐振器的中心点与所述屏蔽腔的中心点重叠；所述第一交点位于所述屏蔽腔的中轴线上。
6.根据权利要求1所述的双频滤波开关，其特征在于，所述第一PCB和所述第二PCB的结构与形状相同。
7.根据权利要求1所述的双频滤波开关，其特征在于，所述单体四模介质谐振器具体为具有四种不同的谐振模式的谐振器，其中，所述谐振器的两个谐振模式用于形成第一滤波通带，另外两个谐振模式用于形成第二滤波通带。
8.根据权利要求7所述的双频滤波开关，其特征在于，所述开关控制电路包括：二极管和偏置电路；所述二极管的阴极连接至所述短路钉，所述二极管的阳极连接至所述偏置电路的第一端，所述偏置电路的第二端连接至所述微带线的一末端；
其中，所述二极管反向偏置时，所述单体四模介质谐振器的四种谐振模式被同步激励，从而使所述双频滤波开关进入开启状态；所述二极管正向偏置时，所述单体四模介质谐振器的四种谐振模式被同步抑制，从而使所述双频滤波开关进入断开状态。
9.根据权利要求1所述的双频滤波开关，其特征在于，所述地板层上与所述开关控制电路垂直对应的区域附近开设有槽口，所述槽口用于创设滤波响应所需的传输零点。
10.根据权利要求9所述的双频滤波开关，其特征在于，在所述第一PCB和所述第二PCB上的两个所述槽口相对于所述单体四模介质谐振器的中心对称。
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