CN116053734A - S-c波段有源可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S‑C波段有源可调带通滤波器，包括C波段带通滤波器单元和S波段滤波可调单元，C波段带通滤波器单元包括半模基片集成波导单元和微带线转共面波导馈电部分，微带线转共面波导馈电部分位于上层金属部分的两侧且印制在中层介质基板部分的上层，上层金属部分远离金属通孔的一端横向设置两个谐振单元槽，两个谐振单元槽及其纵向连线在上层金属部分上构成的矩形区域内部为一端开路一端短路四分之一波长谐振单元，上层金属部分靠近金属通孔的一端设有第一扼流电感。本发明通过半模基片集成波导基模传输特性与四分之一波长结构谐振特性，在C波段内实现带通滤波效应。

Description

S-C波段有源可调带通滤波器

技术领域

本发明涉及有源可调滤波器技术领域，具体涉及一种S-C波段有源可调带通滤波器。

背景技术

目前，在无线通信系统中对高性能带通滤波器的需求越来越大，而加入有源可调单元使之具备更灵活的频率选择性，进一步拓展了其在集成电路的应用。将直流电控单元与滤波器相结合，通过控制电控单元的输出特性改变电磁场在结构中的分布参数，从而达到调节带通滤波器的工作频率、频段或通带等指标的目的。

PIN二极管是一种较为常用的电控元件，其正向偏压导通、反向偏压截止特性可以便捷的控制平面电路的通断，从而可以动态有源调控微波频段结构的电尺寸大小。将其结合到基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide,SIW)的结构设计中，可实现具有低剖面、易集成、高Q值和低成本等优势的微波开关，被广泛应用于平面电路集成和小型化。Xu等人设计的微波开关结构“SwitchableSubstrateIntegratedWaveguide”在IEEEMicrowaveandWireless CommunicationComponentsLetters(2011,21(4),194-196)上发表，利用电控二极管的通断，改变了半模基片集成波导的截止频率，从而实现结构高通性能的调控。Wei等人设计的开关“V-andW-BandSubstrateIntegratedWaveguide(SIW)MechanicalSwitch”在IEEETransactions onMicrowaveTheoryandTechniques(2018,66(6),3090-3098)上发表；Shaker等人设计的开关“Gallium-BasedLiquidMetalSubstrateIntegratedWaveguideSwitches”在IEEEMicrowaveand WirelessCommunicationComponentsLetters(2021,31(3),257-260)上发表。

目前采用这种微波开关所设计的带通滤波器主要通过电控单元对SIW腔体内分布电容或电感的调控来改变谐振参数，Cheng等人设计的可调滤波器“Centerfrequencyandbandwidth switchablesubstrateintegratedwaveguidefilters”在InternationalJournalofMicrowaveand WirelessTechnologies(2020,12(4),282-287)上发表，利用PIN二极管的通断特性实现了工作频率与带宽可调。但由于SIW内部分布参数可调范围的局限性，以及二极管引入寄生电容/电感的影响，该类型有源滤波器的可调频段范围及带宽都相对较窄，且往往伴随着较复杂的馈电网络，增加了设计难度与成本。随着芯片级集成电路的高速发展，对大范围、跨波段、易控易调的小型化有源带通滤波器的要求不断提高，因此对于该技术的深入探索与结构设计是目前滤波器件的研究热点和难点。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供一种通过直流源控制二极管通断实现在S波段和C波段切换工作的带通滤波器。。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种S-C波段有源可调带通滤波器，包括C波段带通滤波器单元和S波段滤波可调单元，C波段带通滤波器单元包括半模基片集成波导单元和微带线转共面波导馈电部分，半模基片集成波导单元包括上层金属部分、下层金属接地部分、中层介质基板部分、若干金属通孔，上层金属部分、下层金属接地部分分别印制在中层介质基板部分的上层、下层，金属通孔设置在中层介质基板部分的一侧，微带线转共面波导馈电部分位于上层金属部分的两侧且印制在中层介质基板部分的上层，上层金属部分远离金属通孔的一端横向设置两个谐振单元槽，两个谐振单元槽及其纵向连线在上层金属部分上构成的矩形区域内部为一端开路一端短路四分之一波长谐振单元，上层金属部分靠近金属通孔的一端设有第一扼流电感。

优选地，S波段滤波可调单元包括第一矩形金属片、第二矩形金属片、第三矩形金属片、十个PIN二极管和三个第二扼流电感，S波段滤波可调单元印制在中层介质基板部分的上层，第一矩形金属片、第三矩形金属片分别通过三个PIN二极管与上层金属部分靠近谐振单元槽的一端相连，第二矩形金属片通过四个PIN二极管与上层金属部分靠近谐振单元槽的一端相连，第二矩形金属片位于第一矩形金属片与第三矩形金属片之间，第二矩形金属片的纵向长度与两个谐振单元槽纵向连线长度相同，每个矩形金属片均设置一个第二扼流电感。

优选地，半模基片集成波导单元由SMA接头馈电，微带线转共面波导馈电部分的微带金属线接SMA结构的内芯，下层金属接地部分接SMA结构的外芯。

优选地，微带线转共面波导馈电部分两侧均设有纵向的第一开槽，远离S波段滤波可调单元的第一开槽在靠近谐振单元槽的一端设有横向的第二开槽。

优选地，微带线转共面波导馈电部分的微带线金属横向尺寸为1.28mm、纵向尺寸为8.92mm，下层金属接地部分横向尺寸为20mm；第一开槽15横向尺寸为0.25mm，第二开槽16纵向尺寸为0.31mm、横向尺寸为2mm。

优选地，上层金属部分横向尺寸为15mm、纵向尺寸为15mm，厚度为0.035mm；一端开路一端短路四分之一波长谐振单元纵向尺寸为6.44mm，谐振单元槽横向尺寸为8.1mm、纵向尺寸为0.31mm。

优选地，金属通孔有25个，其中19个金属通孔纵向排列在中层介质基板部分一侧，在纵向排列的19个金属通孔中间位置及距离中间位置两侧长度为4.8mm处各有两个横向排列的金属通孔，相邻金属通孔的间距为0.8mm，金属通孔半径为0.1mm。

优选地，矩形金属片与上层金属部分之间的横向距离为0.2mm，三个矩形金属片彼此之间的纵向距离为0.31mm，矩形金属片横向尺寸为3.6mm，第一、第三矩形金属片纵向尺寸为3.97mm，第二矩形金属片纵向尺寸为6.44mm。

优选地，上层金属部分、S波段滤波可调单元、下层金属接地部分厚度为0.035mm；中层介质基板相对介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，厚度为0.5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的S-C波段有源可调带通滤波器，通过在半模基片集成波导上层金属面上开槽，形成一端开路一端短路的四分之一波长谐振单元，实现了在C波段内的带通滤波特性；通过若干个二极管将三个金属贴片与半模基片集成波导上层金属相连，当二极管在导通状态时增加了半模基片集成波导横向电长度和四分之一波长谐振单元横向电长度，实现了在S波段内的带通滤波特性；用直流源来控制二极管的导通与截止，实现了该带通滤波器工作在S和C波段的切换。相比传统的有源可调结构，该滤波器可实现跨频段的通带切换，且易于加工与调谐。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1是S-C波段有源可调带通滤波器分层示意图；

图2是S-C波段有源可调带通滤波器顶层俯视平面图；

图3是S-C波段有源可调带通滤波器结构尺寸示意图；

图4是S-C波段有源可调带通滤波器中的S波段与C波段带通滤波的仿真S参数图。

图中：1-C波段带通滤波器单元，2-S波段滤波可调单元，3-半模基片集成波导单元，4-微带线转共面波导馈电部分，5-上层金属部分，6-下层金属接地部分，7-中层介质基板部分，8-金属通孔，9-一端开路一端短路四分之一波长谐振单元，10-第一扼流电感，11-1第一矩形金属片，11-2第二矩形金属片，11-3第三矩形金属片，12-PIN二极管，13-第二扼流电感，14-谐振单元槽，15-第一开槽，16-第二开槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1-3所示，一种通过直流源控制二极管通断实现在S波段和C波段切换工作的带通滤波器，包括C波段带通滤波器单元1和S波段滤波可调单元2，C波段带通滤波器单元1包括半模基片集成波导单元3和微带线转共面波导馈电部分4，上层金属部分5、S波段滤波可调单元2、下层金属接地部分6厚度为0.035mm；中层介质基板7为Rogers5880，相对介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，厚度为0.5mm。。微带线转共面波导馈电部分4两侧均设有纵向的第一开槽15，远离S波段滤波可调单元2的第一开槽15在靠近谐振单元槽14的一端设有横向的第二开槽16。电磁波信号通过微带线转共面波导馈电部分4输入，第一开槽15、第二开槽16实现了更好的阻抗匹配，降低了输入端反射。半模基片集成波导单元3由SMA接头馈电，微带线转共面波导馈电部分4的微带金属线接SMA结构的内芯，下层金属接地部分6接SMA结构的外芯。微带线转共面波导馈电部分4的微带线金属横向尺寸a为1.28mm、纵向尺寸f为8.92mm，下层金属接地部分6横向尺寸b为20mm；第一开槽15横向尺寸c为0.25mm，第二开槽16纵向尺寸d为0.31mm、横向尺寸e为2mm。微带线转共面波导馈电部分4的尺寸限制保证最优的输入端阻抗匹配。C波段带通滤波器单元1的尺寸限制保证在C波段的带通滤波下阻带频率为4GHz。

半模基片集成波导单元3包括上层金属部分5、下层金属接地部分6、中层介质基板部分7、25个金属通孔8，上层金属部分5、S波段滤波可调单元2用来约束电磁波信号产生带通效果。上层金属部分5、下层金属接地部分6分别印制在中层介质基板部分7的上层、下层，金属通孔8设置在中层介质基板部分7的一侧，金属通孔8有25个，其中19个金属通孔8纵向排列在中层介质基板部分7一侧用来构成半模基片集成波导的等效电壁，在纵向排列的19个金属通孔8中间位置及距离中间位置两侧长度l为4.8mm处各有两个横向排列的金属通孔8用来抑制带外的高阶模，相邻金属通孔8的间距为0.8mm，金属通孔8半径为0.1mm。微带线转共面波导馈电部分4位于上层金属部分5的两侧且印制在中层介质基板部分7的上层，上层金属部分5远离金属通孔8的一端横向设置两个谐振单元槽14，两个谐振单元槽14及其纵向连线在上层金属部分5上构成的矩形区域内部为一端开路一端短路四分之一波长谐振单元9，上层金属部分5靠近金属通孔8的一端焊接设有第一扼流电感10。上层金属部分5横向尺寸g为15mm、纵向尺寸h为15mm；一端开路一端短路四分之一波长谐振单元9纵向尺寸j为6.44mm，谐振单元槽14横向尺寸i为8.1mm、纵向尺寸k为0.31mm。一端开路一端短路四分之一波长谐振单元9的尺寸限制保证C波段的带通滤波上阻带频率为5.5GHz，和更好的带内回波性能。

S波段滤波可调单元2包括第一矩形金属片11-1、第二矩形金属片11-2、第三矩形金属片11-3、十个PIN二极管12和三个第二扼流电感13，S波段滤波可调单元2印制在中层介质基板部分7的上层，第一矩形金属片11-1、第三矩形金属片11-3分别通过三个PIN二极管12与上层金属部分5靠近谐振单元槽14的一端相连，第二矩形金属片11-2通过四个PIN二极管12与上层金属部分5靠近谐振单元槽14的一端相连，二极管阳极接上层金属部分5、阴极接S波段滤波可调单元2，PIN二极管12间等距排列，使得其导通时，上层金属部分5和S波段滤波可调单元2间的短路电流均匀分布。第二矩形金属片11-2位于第一矩形金属片11-1与第三矩形金属片11-3之间，第二矩形金属片11-2的纵向长度与两个谐振单元槽14纵向连线长度相同，每个矩形金属片均焊接设置一个第二扼流电感13，外部直流源正极接第一扼流电感10，负极接三个第二扼流电感13。当外部直流源未接入时，输入电磁波信号经C波段带通滤波器单元1传输，在C波段产生带通滤波效应；当外部直流源接入后，十个PIN二极管12正向导通使S波段滤波可调单元2与C波段带通滤波器单元1短路，半模基片集成波导单元3的横向电尺寸增加从而使得其截止频率降低，一端开路一端短路四分之一波长谐振单元9的横向电尺寸增加从而使其谐振频率降低，最终在S波段产生带通滤波效应。矩形金属片与上层金属部分5之间的横向距离m为0.2mm，三个矩形金属片彼此之间的纵向距离k为0.31mm，矩形金属片横向尺寸n为3.6mm，第一、第三矩形金属片纵向尺寸p为3.97mm，第二矩形金属片纵向尺寸q为6.44mm。S波段滤波可调单元2的尺寸限制保证PIN二极管12导通后，能够将带通的下阻带切换至3GHz，上阻带切换至3.9GHz。

图4所示S-C波段有源可调带通滤波器中的S波段与C波段带通滤波的仿真S参数图，横坐标表示频率，纵坐标代表S参数，单位为dB。从图4可以看出，当PIN二极管12截止时，滤波器的带通频段为4GHz-5.5GHz，处于C波段内；带内插损小于0.3dB，回波损耗大于-15dB。当PIN二极管12导通时，滤波器通带切换至3GHz-3.9GHz工作，处于S波段内；带内插损小于0.5dB，回波损耗大于-13dB。从仿真结果可以看出，在输入电磁波信号不变的情况下，通过控制直流源来导通和截止PIN二极管12，就可以非常高效的在C波段和S波段之间切换带通滤波效果，性能优异。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，包括C波段带通滤波器单元(1)和S波段滤波可调单元(2)，C波段带通滤波器单元(1)包括半模基片集成波导单元(3)和微带线转共面波导馈电部分(4)，半模基片集成波导单元(3)包括上层金属部分(5)、下层金属接地部分(6)、中层介质基板部分(7)、若干金属通孔(8)，上层金属部分(5)、下层金属接地部分(6)分别印制在中层介质基板部分(7)的上层、下层，金属通孔(8)设置在中层介质基板部分(7)的一侧，微带线转共面波导馈电部分(4)位于上层金属部分(5)的两侧且印制在中层介质基板部分(7)的上层，上层金属部分(5)远离金属通孔(8)的一端横向设置两个谐振单元槽(14)，两个谐振单元槽(14)及其纵向连线在上层金属部分(5)上构成的矩形区域内部为一端开路一端短路四分之一波长谐振单元(9)，上层金属部分(5)靠近金属通孔(8)的一端设有第一扼流电感(10)。

2.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，S波段滤波可调单元(2)包括第一矩形金属片(11-1)、第二矩形金属片(11-2)、第三矩形金属片(11-3)、十个PIN二极管(12)和三个第二扼流电感(13)，S波段滤波可调单元(2)印制在中层介质基板部分(7)的上层，第一矩形金属片(11-1)、第三矩形金属片(11-3)分别通过三个PIN二极管(12)与上层金属部分(5)靠近谐振单元槽(14)的一端相连，第二矩形金属片(11-2)通过四个PIN二极管(12)与上层金属部分(5)靠近谐振单元槽(14)的一端相连，第二矩形金属片(11-2)位于第一矩形金属片(11-1)与第三矩形金属片(11-3)之间，第二矩形金属片(11-2)的纵向长度与两个谐振单元槽(14)纵向连线长度相同，每个矩形金属片均设置一个第二扼流电感(13)。

3.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，半模基片集成波导单元(3)由SMA接头馈电，微带线转共面波导馈电部分(4)的微带金属线接SMA结构的内芯，下层金属接地部分(6)接SMA结构的外芯。

4.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，微带线转共面波导馈电部分(4)两侧均设有纵向的第一开槽(15)，远离S波段滤波可调单元(2)的第一开槽(15)在靠近谐振单元槽(14)的一端设有横向的第二开槽(16)。

5.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，微带线转共面波导馈电部分(4)的微带线金属横向尺寸(a)为1.28mm、纵向尺寸(f)为8.92mm，下层金属接地部分(6)横向尺寸(b)为20mm；第一开槽(15)横向尺寸(c)为0.25mm，第二开槽(16)纵向尺寸(d)为0.31mm、横向尺寸(e)为2mm。

6.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，上层金属部分(5)横向尺寸(g)为15mm、纵向尺寸(h)为15mm；一端开路一端短路四分之一波长谐振单元(9)纵向尺寸(j)为6.44mm，谐振单元槽(14)横向尺寸(i)为8.1mm、纵向尺寸(k)为0.31mm。

7.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，金属通孔(8)有25个，其中19个金属通孔(8)纵向排列在中层介质基板部分(7)一侧，在纵向排列的19个金属通孔(8)中间位置及距离中间位置两侧长度(l)为4.8mm处各有两个横向排列的金属通孔(8)，相邻金属通孔(8)的间距为0.8mm，金属通孔(8)半径为0.1mm。

8.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，矩形金属片与上层金属部分(5)之间的横向距离(m)为0.2mm，三个矩形金属片彼此之间的纵向距离(k)为0.31mm，矩形金属片横向尺寸(n)为3.6mm，第一、第三矩形金属片纵向尺寸(p)为3.97mm，第二矩形金属片纵向尺寸(q)为6.44mm。

9.根据权利要求1所述的S-C波段有源可调带通滤波器，其特征在于，上层金属部分(5)、S波段滤波可调单元(2)、下层金属接地部分(6)厚度为0.035mm；中层介质基板(7)相对介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，厚度为0.5mm。

Images