CN114759326B

CN114759326B - 一种微带梳状线型限幅滤波器

Info

Publication number: CN114759326B
Application number: CN202210329867.6A
Authority: CN
Inventors: 李元鑫; 邓世雄; 林铭团; 沈健; 查淞; 刘继斌; 郭岳儒
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2042-03-30
Also published as: CN114759326A

Abstract

本发明公开了一种微带梳状线型限幅滤波器，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、馈电抽头、接地金属组成。金属微带结构中N个谐振单元均匀排列而成梳状线结构；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

一种微带梳状线型限幅滤波器

技术领域

本发明涉及射频通信前端器件与电磁防护领域，具体涉及一种微带梳状线型限幅滤波器。

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，其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。

为了实现滤波器和限幅器一体化，文献中曾提出一种限幅滤波器(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.”)，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。

另外，文献中提出过梳状线加载变容二极管进行调谐(参见文献“高凡.中心及带宽可调梳状线滤波器的设计[J].制造业自动化,2015,37(06):134～138.”)，或在一些特殊位置加载PIN二极管进行开关切换(参见文献“El-Tanani M A,Rebeiz G M.CorrugatedMicrostrip Coupled Lines for Constant Absolute Bandwidth Tunable Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010,58(4):956～963.”译为：用于恒定绝对带宽可调谐滤波器的波纹微带耦合线，在2010年IEEE微波理论与技术学报上发表，在一些特殊位置加载PIN二极管进行开关切换见该文献第956页至963页)，其属于可重构滤波器的实现方法，但就功率而言，不能根据入射功率自适应开启或关闭滤波功能，从而也就无法实现限幅功能，不能称之为限幅滤波一体化器件。

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，且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。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，提出一种微带梳状线型限幅滤波器，是一种基于微带梳状线耦合技术的限幅滤波器。

本发明技术方案如下:

一种微带梳状线型限幅滤波器，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ε_r，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、1条接地金属组成。

金属微带结构中N个谐振单元均匀排列而成梳状线结构，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。每个谐振单元长度为W2，宽度均为L6，厚度均为H1。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 RF Microwave Applications(SecondEdition)”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二极管的导通方向为竖向(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谐振单元、X方向N个谐振单元的最右端谐振单元分别加载馈电抽头，与谐振单元Y轴最底端的距离为W4，馈电抽头长度为L2，馈电抽头宽度W3,W4+W3<W2<W1。

N个PIN二极管从每个谐振单元的y轴最顶端引出，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，接地金属位于金属微带结构中y轴最顶端，接地金属用于外部接地。

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，每个通孔形状为圆孔，直径均为L7，L7<L6。

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、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，七个谐振单元均匀排列，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二极管均匀排列；2个馈电抽头为第一馈电抽头，第二馈电抽头。

金属微带结构长为L1，宽为W1，厚度为H1。七个谐振单元长度均为W2，宽度均为L6，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，第一馈电抽头与第一谐振单元Y轴最底端的距离为W4、第二馈电抽头与第七谐振单元Y轴最底端的距离为W4，第一馈电抽头、第二馈电抽头长度均为L2，宽度均为W3,厚度均为H1；上述宽度满足W4+W3<W2<W1，上述长度满足2×(L2+L3+L4+L5)+7×L6＝L1。

接地金属位于金属微带结构中y轴最顶端，用于外部接地。第一谐振单元与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，再串联到接地金属；第二谐振单元与接地金属之间焊接第二PIN二极管，即从第二谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到接地金属；第三谐振单元与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，再串联到接地金属；第四谐振单元与接地金属之间焊接第四PIN二极管，即从第四谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到接地金属；第五谐振单元与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，再串联到接地金属；第六谐振单元与接地金属之间焊接第六PIN二极管，即从第六谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到接地金属；第七谐振单元与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L7，L7<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)。

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；100、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1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梳状线型限幅滤波器，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，一种微带梳状线型限幅滤波器，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1厚度为H1，介质基板2厚度为H2，相对介电常数为ε_r，底板金属3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、1条接地金属组成。本发明的金属微带结构采用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、1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1028，七个谐振单元均匀排列；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二极管均匀排列；2个馈电抽头为第一馈电抽头1021，第二馈电抽头1029；接地金属为图2中的100。

金属微带结构1长为L1，宽为W1，厚度为H1。七个谐振单元长度均为W2，宽度均为L6，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与第一谐振单元1022Y轴最底端的距离为W4、第二馈电抽头1029与第七谐振单元1028Y轴最底端的距离为W4，第一馈电抽头1021、第二馈电抽头1029长度均为L2，宽度均为W3,厚度均为H1；所述长度满足2×(L2+L3+L4+L5)+7×L6＝L1，所述宽度满足W4+W3<W2<W1。

接地金属100位于金属微带结构1中y轴最顶端，用于外部接地。第一谐振单元1022与接地金属100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，再串联到接地金属100；第二谐振单元1023与接地金属100之间焊接第二PIN二极管102，即从第二谐振单元1023的y轴最顶端引出，再串联到接地金属100；第三谐振单元1024与接地金属100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，再串联到接地金属100；第四谐振单元1025与接地金属100之间焊接第四PIN二极管104，即从第四谐振单元1025的y轴最顶端引出，再串联到接地金属100；第五谐振单元1026与接地金属100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，再串联到接地金属100；第六谐振单元1027与接地金属100之间焊接第六PIN二极管106，即从第六谐振单元1027的y轴最顶端引出，再串联到接地金属100；第七谐振单元1028与接地金属100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，再串联到接地金属100。

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L7，L7<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；

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以内(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，此时信号通过较少，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

1.一种微带梳状线型限幅滤波器，其特征在于微带梳状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(1)厚度为H1，介质基板(2)厚度为H2，相对介电常数为ε_r，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、1条接地金属组成；

金属微带结构(1)中N个谐振单元均匀排列而成梳状线结构，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谐振单元、最右端谐振单元分别加载馈电抽头；

N个PIN二极管分别焊接在N个谐振单元与接地金属之间；N个PIN二极管从每个谐振单元的最顶端引出，再串联到接地金属；

接地金属位于金属微带结构(1)的最顶端，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所述的一种微带梳状线型限幅滤波器，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)，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)，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)；

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、1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)；

金属微带结构(1)长为L1，宽为W1，厚度为H1；7个谐振单元长度均为W2，宽度均为L6，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)与第一谐振单元(1022)最底端的距离为W4，第二馈电抽头(1029)与第七谐振单元(1028)最底端的距离为W4；第一馈电抽头(1021)、第二馈电抽头(1029)长度均为L2，宽度均为W3,厚度均为H1；所述长度满足2×(L2+L3+L4+L5)+7×L6＝L1，所述宽度满足W4+W3<W2<W1；

接地金属(100)位于金属微带结构(1)最顶端，用于外部接地；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)分别与接地金属(100)之间焊接第一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)；

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所述的一种微带梳状线型限幅滤波器，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所述的一种微带梳状线型限幅滤波器，其特征在于所述介质基板包含的N个通孔形状均为圆孔，圆孔直径为L7，L7<L6。

5.如权利要求2所述的一种微带梳状线型限幅滤波器，其特征在于所述PIN二极管接地端的一侧可以是多样的，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。