CN114759325A - 一种微带交指线型限幅滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带交指线型限幅滤波器,从上到下依次包括金属微带结构、介质基板、底板金属,金属微带结构采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板之上,底板金属采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板之下。金属微带结构由N个谐振单元、N个PIN二极管、2个馈电抽头、2个接地金属组成。金属微带结构中N个谐振单元交错排列而成交指线结构;N个谐振单元的最左端、最右端分别加载馈电抽头;N个PIN二极管分别焊接在N个谐振单元与接地金属之间。介质基板的N个通孔连接金属微带结构与底板金属。本发明解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大,以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题,本发明可在常温情况下实现,提高了可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信前端器件与电磁防护领域,具体是一种微带交指线型限幅滤波器。
背景技术
传统射频前端将滤波器与用作电路防护的限幅器进行级联,这属于不同器件的组合,具有级联固有的插入损耗大、结构复杂、体积不易集成等问题。在滤波器结构中,有一种利用交指线型(参见文献“G.L M.Interdigital Band-Pass Filters[J].IRETransactions on Microwave Theory and Techniques,1962,10(6):479~491.”译为:交指线型带通滤波器,在1962年IRE微波理论与技术学报上发表,见该文献第479页至491页)耦合实现滤波特性的,但其没有加载功率半导体器件,因此不能用于功率自适应调控,进而无法实现限幅功能。
为了实现滤波器和限幅器一体化,文献(参见文献“羊恺,补世荣,刘娟秀,等.限幅自保护高温超导接收机前端研究[J].电子科技大学学报,2007,(02):223~226.”)中曾提出一种限幅滤波器,其利用高温超导薄膜材料的微波非线性,采用超导-常规电路混合集成工艺,使所设计的高温超导限幅滤波器在输入功率–10dBm时,最小插入损耗0.2dB,带内驻波小于1.4;当输入功率15dBm时,传输信号的限幅深度达10dB。但这种方案需要工作在液氮温区,常温情况下无法发挥功能。与这种方案比较,本发明直接采用常规微带电路实现,可以在常温下实现功能。
当前的限幅滤波器使用高温超导材料,需要严苛的工作环境,在常温下无法发挥功能。而滤波器与限幅器直接级联,则具有插入损耗大、结构复杂、体积大的缺陷。本发明旨在解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大,以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题。如何设计一种新型限幅滤波器,一是使滤波器和限幅器结合一体,解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大的问题;二是在常温下实现功能,这是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型限幅滤波器,解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大,以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题。
为解决上述问题,本发明利用射频前端滤波器、限幅器结合为一体的结构,提出一种微带交指线型限幅滤波器,是一种基于微带交指线耦合技术的限幅滤波器。
本发明技术方案如下:
一种微带交指线型限幅滤波器,在与大地垂直的方向即Z方向从上到下依次包括金属微带结构、介质基板、底板金属,金属微带结构采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板之上,底板金属采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板之下。金属微带结构厚度为H1,介质基板厚度为H2,相对介电常数为εr,底板金属厚度为H3。
金属微带结构由N个谐振单元、N个PIN二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成。
金属微带结构中N个谐振单元交错排列而成交指线结构,若N为奇数,则金属微带结构关于中心谐振单元的中线轴对称;若N为偶数,则金属微带结构关于中心的两个谐振单元缝隙中线轴对称。N的数量(即谐振单元的数量)、N个谐振单元的间距是根据滤波中心频点、带宽进行调整的(参考文献Jia-Shang Hong所著“Microstrip Filters for RFMicrowave Applications(Second Edition)”40至47页,译为:“用于射频/微波应用的微带滤波器(第二版)”40至47页)。本发明的金属微带结构优先值采用7级谐振单元,通常要拓展带宽需要更多级,而谐振单元的间距影响多级之间的耦合,进而影响通带带宽和带内损耗。
现定义金属微带结构中谐振单元的长边方向为竖向(即Y方向),金属微带结构中馈电抽头的左右方向为横向(即X方向)。
X方向N个谐振单元的最左端、X方向N个谐振单元的最右端分别加载馈电抽头、馈电抽头。
N个PIN二极管从每个谐振单元的y轴最顶端或最底端引出,再串联到接地金属。N个PIN二极管分别焊接在N个谐振单元与接地金属之间,N个PIN二极管交错排列;
接地金属分别位于金属微带结构中y轴最顶端、最底端,用于外部接地。
介质基板包含N个通孔,其数量与金属微带结构的谐振单元数量保持一致。介质基板中的N个通孔连接金属微带结构与底板金属。
本发明优选N=7,金属微带结构由7个谐振单元、7个PIN二极管、2个馈电抽头、2个接地金属组成。7个谐振单元为第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元,七个谐振单元交错排列;7个PIN二极管为第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管、第五PIN二极管、第六PIN二极管、第七PIN二极管,七个PIN二级管交错排列;2个馈电抽头为第一馈电抽头、第二馈电抽头;2个接地金属为第一接地金属、第二接地金属。
金属微带结构长为L1,宽为W1,厚度为H1。第一谐振单元、第七谐振单元长度均为W2,宽度均为S2,厚度均为H1;第二谐振单元、第六谐振单元长度均为W3,宽度均为S3,厚度均为H1;第三谐振单元、第五谐振单元长度均为W4,宽度均为S4,厚度均为H1;第四谐振单元长度均为W5,宽度均为S5,厚度均为H1;第一谐振单元与第二谐振单元、第六谐振单元与第七谐振单元的间隙均为L3,第二谐振单元与第三谐振单元、第五谐振单元与第六谐振单元的间隙均为L4,第三谐振单元与第四谐振单元、第四谐振单元与第五谐振单元的间隙均为L5。
本发明X方向第一谐振单元的最左端加载第一馈电抽头、X方向第七谐振单元的最右端加载第二馈电抽头,第一馈电抽头与第二接地金属的距离为W6、第二馈电抽头与第二接地金属的距离为W6,第一馈电抽头、第二馈电抽头长度均为L2,宽度均为W7,厚度均为H1;上述宽度满足W6+W7<W2<W1,上述长度满足2×(L2+L3+L4+L5+S2+S3+S4)+S5=L1。
第一接地金属位于金属微带结构中y轴最顶端,第二接地金属位于金属微带结构中y轴最底端,第一接地金属、第二接地金属用于外部接地。
第一谐振单元与第一接地金属之间焊接第一PIN二极管,即从第一谐振单元的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属;第二谐振单元与第二接地金属之间焊接第二PIN二极管,即从第二谐振单元的y轴最底端引出,再串联到第二接地金属;第三谐振单元与第一接地金属之间焊接第三PIN二极管,即从第三谐振单元的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属;第四谐振单元与第二接地金属之间焊接第四PIN二极管,即从第四谐振单元的y轴最底端引出,再串联到第二接地金属;第五谐振单元与第一接地金属之间焊接第五PIN二极管,即从第五谐振单元的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属;第六谐振单元与第二接地金属之间焊接第六PIN二极管,即从第六谐振单元的y轴最底端引出,再串联到第二接地金属;第七谐振单元与第一接地金属之间焊接第七PIN二极管,即从第七谐振单元的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属。
7个谐振单元、7个PIN二极管、2个馈电抽头关于中心谐振单元(即第四谐振单元)的中线轴对称。
介质基板包含N个通孔,其数量与金属微带结构的谐振单元数量保持一致。介质基板中的N个通孔连接金属微带结构与底板金属,每个通孔形状为圆孔,直径均为L6,L6<第N个谐振单元的宽度。N个通孔分别为第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔、第五金属通孔、第六金属通孔、第七金属通孔,七个通孔交错排列;
所述PIN二极管型号是多种的,除了上述说明的PIN二极管型号以外,可以根据限幅起限电平、功率容量选择其它型号的二级管,区别在于不同型号二极管导通条件不同。PIN二极管接地端一侧可以是多样的,除了上述说明的焊接,还有过孔到地、键合接地等多种实现方式,这取决于二极管的封装形式,以及加工水平等条件。
本发明是一种小信号情况下工作在X波段的滤波器,可以将通带外的微波信号抑制、通带内的微波信号以较低插入损耗传输;在大信号情况下是限幅器,可以将高于门限的功率信号大部分反射,防止功率通过对后端电路产生损坏。当小信号进入时,PIN二极管近似等效为电容,其作为集总元件加载在带通滤波器结构中,与金属微带结构的谐振单元共同作用,实现滤波功能。当大信号进入时,由于PIN二极管的电导调制效应,将PIN二极管导通,这时其等效电路近似为电阻,从而引起滤波电路的整体失配,将大功率信号反射,防止功率通过对后端电路产生损坏。
此外,本发明是一种可重构滤波器,它把通带内的电磁波信号按照特定功率值进行划分,低于该功率值的电磁波信号可以以低插入损耗通过,而高于该功率值的电磁波信号则产生较大反射。射频前端需要用到滤波器和限幅器的部件。通信系统且后端接有灵敏设备的接收机、电磁防护设备,凡是需要滤波和电路防护的设备或系统,都可依靠本发明来进行工作。
采用本发明可以达到以下技术效果:
本发明提出一种微带梳状线型限幅滤波器,解决了现有技术中的滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大,以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题,此外在应用环境上,可以在常温情况下实现,提高了可靠性。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图;
图2为本发明俯视图和正视图;
图3为本发明实施例在小信号情况下的传输参数图;
图4为本发明实施例中大信号情况下的传输参数图;
图中标号:
1、金属微带结构;2、介质基板;3、底板金属;1001、第一接地金属;1002、第二接地金属;101、第一PIN二极管;102、第二PIN二极管;103、第三PIN二极管;104、第四PIN二极管;105、第五PIN二极管;106、第六PIN二极管;107第七PIN二极管;1021、第一馈电抽头;1022、第一谐振单元;1023、第二谐振单元;1024、第三谐振单元;1025、第四谐振单元;1026、第五谐振单元;1027、第六谐振单元;1028、第七谐振单元;1029、第二馈电抽头;201、第一金属通孔;202、第二金属通孔;203、第三金属通孔;204、第四金属通孔;205、第五金属通孔;206、第六金属通孔;207、第七金属通孔;
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白,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于解释本发明,并不用于限定本发明。
本实施例提供一种微带交指线型限幅滤波器,小信号情况下工作在X波段的滤波器,将通带外的微波信号抑制、通带内的微波信号以较低插入损耗传输;在大信号情况下是限幅器,可将高于门限的功率信号大部分反射,防止功率通过对后端电路产生损坏。
如图1所示,一种微带交指线型限幅滤波器,在与大地垂直的方向即Z方向从上到下依次包括金属微带结构1、介质基板2、底板金属3,金属微带结构1采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板2之上,底板金属3采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板2之下。金属微带结构厚度为H1,介质基板厚度为H2,相对介电常数为εr,底板金属厚度为H3。
如图2所示,金属微带结构1由N个谐振单元、N个PIN二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成。本发明的金属微带结构1采用7级谐振单元,N=7,金属微带结构1由7个谐振单元、7个PIN二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成。7个谐振单元为第一谐振单元1022、第二谐振单元1023、第三谐振单元1024、第四谐振单元1025、第五谐振单元1026、第六谐振单元1027、第七谐振单元1028,七个谐振单元交错排列;7个PIN二极管为第一PIN二极管101、第二PIN二极管102、第三PIN二极管103、第四PIN二极管104、第五PIN二极管105、第六PIN二极管106、第七PIN二极管107,七个PIN二级管交错排列;2个馈电抽头为第一馈电抽头1021、第二馈电抽头1029;2个接地金属为第一接地金属1001、第二接地金属1002。
金属微带结构1长为L1,宽为W1,厚度为H1。第一谐振单元1022、第七谐振单元1028长度均为W2,宽度均为S2,厚度均为H1;第二谐振单元1023、第六谐振单元1027长度均为W3,宽度均为S3,厚度均为H1;第三谐振单元1024、第五谐振单元1026长度均为W4,宽度均为S4,厚度均为H1;第四谐振单元1025长度均为W5,宽度均为S5,厚度均为H1;第一谐振单元1022与第二谐振单元1023、第六谐振单元1027与第七谐振单元1028的间隙均为L3,第二谐振单元1023与第三谐振单元1024、第五谐振单元1026与第六谐振单元1027的间隙均为L4,第三谐振单元1024与第四谐振单元1025、第四谐振单元1025与第五谐振单元1026的间隙均为L5。
现定义金属微带结构中二极管的导通方向为竖向(即Y方向),金属微带结构1中馈电抽头的左右方向为横向(即X方向)。本发明X方向第一谐振单元1022的最左端加载第一馈电抽头1021、X方向第七谐振单元1028的最右端加载第二馈电抽头1029,第一馈电抽头1021与第二接地金属1002的距离为W6、第二馈电抽头1029与第二接地金属1002的距离为W6,第一馈电抽头1021、第二馈电抽头1029长度均为L2,宽度均为W7,厚度均为H1;上述宽度满足W6+W7<W2<W1,上述长度满足2×(L2+L3+L4+L5+S2+S3+S4)+S5=L1。
第一接地金属1001位于金属微带结构1中y轴最顶端,第二接地金属1002位于金属微带结构1中y轴最底端,用于外部接地。
第一谐振单元1022与第一接地金属1001之间焊接第一PIN二极管101,即从第一谐振单元1022的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属1001;第二谐振单元1023与第二接地金属1002之间焊接第二PIN二极管102,即从第二谐振单元1023的y轴最底端引出,再串联到第二接地金属1002;第三谐振单元1024与第一接地金属1001之间焊接第三PIN二极管103,即从第三谐振单元1024的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属1001;第四谐振单元1025与第二接地金属1002之间焊接第四PIN二极管104,即从第四谐振单元1025的y轴最底端引出,再串联到第二接地金属1002;第五谐振单元1026与第一接地金属1001之间焊接第五PIN二极管105,即从第五谐振单元1026的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属1001;第六谐振单元1027与第二接地金属1002之间焊接第六PIN二极管106,即从第六谐振单元1027的y轴最底端引出,再串联到第二接地金属1002;第七谐振单元1028与第一接地金属1001之间焊接第七PIN二极管107,即从第七谐振单元1028的y轴最顶端引出,再串联到第一接地金属1001。
7个谐振单元、7个PIN二极管、2个馈电抽头关于中心谐振单元(即第四谐振单元1025)的中线轴对称。
介质基板2包含N个通孔,其数量与金属微带结构1的谐振单元数量保持一致。介质基板2中的N个通孔连接金属微带结构1与底板金属3,每个通孔形状为圆孔,直径均为L6。N个通孔分别为第一金属通孔201、第二金属通孔202、第三金属通孔203、第四金属通孔204、第五金属通孔205、第六金属通孔206、第七金属通孔207,七个通孔交错排列;
实施例在小信号情况下滤波的传输参数、大信号情况下限幅的传输参数如图3、图4,横坐标表示频率,单位GHz,纵坐标表示散射参数,单位为分贝(dB)。如图3所示,当小信号进入时,本实施例在8.5GHz-9.5GHz之间插入损耗在2dB以下(即图中散射参数S21>-2dB),散射参数S11<-10dB,满足滤波器通带低损耗特性,散射参数呈现带通滤波器特点。如图4所示,当大信号进入时,本实施例在7GHz-12GHz之间插入损耗在10dB以上(即图中散射参数S21<-10dB),散射参数S11>-10dB,此时信号几乎全反射,散射参数呈现限幅的效果。可见,本发明在X波段可实现小信号情况下滤波,大信号情况下限幅的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种微带交指线型限幅滤波器,其特征在于微带交指线型限幅滤波器在与大地垂直的方向即Z方向从上到下依次包括金属微带结构(1)、介质基板(2)、底板金属(3),金属微带结构(1)采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板(2)之上,底板金属(3)采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板(2)之下;金属微带结构厚度(1)为H1,介质基板(2)厚度为H2,相对介电常数为εr,底板金属(3)厚度为H3;
金属微带结构(1)由N个谐振单元、N个PIN二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成;
金属微带结构(1)中N个谐振单元交错排列而成交指线结构,若N为奇数,则金属微带结构(1)关于中心谐振单元的中线轴对称;若N为偶数,则金属微带结构(1)关于中心的两个谐振单元缝隙中线轴对称;N的数量、N个谐振单元的间距是根据滤波中心频点、带宽进行调整的;
N个谐振单元的最左端、最右端分别加载馈电抽头;
N个PIN二极管从每个谐振单元的最顶端或最底端引出,再串联到接地金属;N个PIN二极管分别焊接在N个谐振单元与接地金属之间;N个PIN二极管交错排列;
接地金属分别位于金属微带结构的最顶端、最底端,用于外部接地;
介质基板(2)包含N个通孔,N个通孔连接金属微带结构(1)与底板金属(3)。
2.如权利要求1所述的一种微带交指线型限幅滤波器,其特征在于所述金属微带结构(1)中谐振单元的数量N值为7,N个谐振单元分别为第一谐振单元(1022)、第二谐振单元(1023)、第三谐振单元(1024)、第四谐振单元(1025)、第五谐振单元(1026)、第六谐振单元(1027)、第七谐振单元(1028),七个谐振单元交错排列;N个PIN二极管分别为第一PIN二极管(101)、第二PIN二极管(102)、第三PIN二极管(103)、第四PIN二极管(104)、第五PIN二极管(105)、第六PIN二极管(106)、第七PIN二极管(107),七个PIN二级管交错排列;N个通孔分别为第一金属通孔(201)、第二金属通孔(202)、第三金属通孔(203)、第四金属通孔(204)、第五金属通孔(205)、第六金属通孔(206)、第七金属通孔(207),七个通孔交错排列;
金属微带结构(1)由7个谐振单元、7个PIN二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成;2个馈电抽头为第一馈电抽头(1021)、第二馈电抽头(1029);2个接地金属为第一接地金属(1001)、第二接地金属(1002);
金属微带结构(1)长为L1,宽为W1,厚度为H1;第一谐振单元(1022)、第七谐振单元(1028)长度均为W2,宽度均为S2,厚度均为H1;第二谐振单元(1023)、第六谐振单元(1027)长度均为W3,宽度均为S3,厚度均为H1;第三谐振单元(1024)、第五谐振单元(1026)长度均为W4,宽度均为S4,厚度均为H1;第四谐振单元(1025)长度均为W5,宽度均为S5,厚度均为H1;第一谐振单元(1022)与第二谐振单元(1023)、第六谐振单元(1027)与第七谐振单元(1028)的间隙均为L3,第二谐振单元(1023)与第三谐振单元(1024)、第五谐振单元(1026)与第六谐振单元(1027)的间隙均为L4,第三谐振单元(1024)与第四谐振单元(1025)、第四谐振单元(1025)与第五谐振单元(1026)的间隙均为L5;
第一谐振单元(1022)的最左端加载第一馈电抽头(1021)、第七谐振单元(1028)的最右端加载第二馈电抽头(1029);第一馈电抽头(1021)与第二接地金属1002的距离为W6,第二馈电抽头(1029)与第二接地金属1002的距离为W6;第一馈电抽头(1021)、第二馈电抽头(1029)长度均为L2,宽度均为W7,厚度均为H1;所述长度满足2×(L2+L3+L4+L5+S2+S3+S4)+S5=L1,所述宽度满足W6+W7<W2<W1;
第一接地金属(1001)位于金属微带结构(1)的最顶端,第二接地金属(1002)位于金属微带结构(1)的最底端,第一接地金属(1001)、第二接地金属(1002)用于外部接地;
第一谐振单元(1022)与第一接地金属(1001)之间焊接第一PIN二极管(101),第二谐振单元(1023)与第二接地金属(1002)之间焊接第二PIN二极管(102),第三谐振单元(1024)与第一接地金属(1001)之间焊接第三PIN二极管(103),第四谐振单元(1025)与第二接地金属(1002)之间焊接第四PIN二极管(104),第五谐振单元(1026)与第一接地金属(1001)之间焊接第五PIN二极管(105),第六谐振单元(1027)与第二接地金属(1002)之间焊接第六PIN二极管(106),第七谐振单元(1028)与第一接地金属(1001)之间焊接第七PIN二极管(107);
7个谐振单元、7个PIN二极管、2个馈电抽头关于第四谐振单元(1025)的中线轴对称。
3.如权利要求1所述的一种微带交指线型限幅滤波器,其特征在于所述PIN二极管可根据限幅起限电平、功率容量选择其它型号的二级管。
4.如权利要求1所述的一种微带交指线型限幅滤波器,其特征在于所述介质基板包含的N个通孔形状均为圆孔,直径为L6,L6<第N个谐振单元的宽度。
5.如权利要求1所述的一种微带交指线型限幅滤波器,其特征在于所述PIN二极管接地端一侧可以是多样的,除了上述说明的焊接,还有过孔到地、键合接地等多种实现方式。
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