專利名稱：低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻電調(diào)帶通濾波器技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及寬范圍中心頻率可調(diào)的電調(diào)帶通濾波器，具體是一種低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器?？蓱?yīng)用在射頻前端系統(tǒng)中，適應(yīng)多種通信協(xié)議頻段，如全球微波互聯(lián)接入Wi-Fi，無線局域網(wǎng)WLAN。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代無線通信事業(yè)飛速發(fā)展，頻譜占用越來越密集，導(dǎo)致頻譜擁擠的問題日益突出。為了更高效地利用有限的頻譜資源，擴頻、跳頻、動態(tài)頻率分配等技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，電調(diào)可重構(gòu)濾波器作為這些技術(shù)的關(guān)鍵器件越來越受到重視。電調(diào)濾波器在收發(fā)信機中，起到控制有用信號頻率，抑制有害干擾頻率，支持多信道通信的作用。電調(diào)可重構(gòu)濾波器相對于機械調(diào)諧濾波器，其響應(yīng)時間短、易于控制、結(jié)構(gòu)簡單。在現(xiàn)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。在實際應(yīng)用中，電調(diào)濾波器在發(fā)射機中位于天線之前起到后級濾波的作用，在接收機中在天線的后端起到選頻的作用，將有用的信號頻率從天線接收的大量頻譜中選擇出來。由于電磁環(huán)境日益復(fù)雜，頻譜擁擠導(dǎo)致的干擾頻率大量增加，電調(diào)濾波器在收發(fā)信機中，可以起到控制有用信號頻率，抑制有害干擾頻率，支持多信道通信的作用。根據(jù)研究報道，多種不同的調(diào)諧器件也已經(jīng)被集成進無源濾波器結(jié)構(gòu)中，例如半導(dǎo)體變?nèi)荻O管、射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)電容管以及其他基于功能性材料的元件，包括鐵電薄膜材料變?nèi)莨艿?。由于微帶線濾波器能夠以很小的尺寸來完成這類集成，因此，對于在微帶線的基礎(chǔ)上開發(fā)可調(diào)諧或可重構(gòu)濾波器具有重要的應(yīng)用價值。目前，國內(nèi)外進行了有關(guān)電調(diào)濾波器的一系列研究工作，并取得了一些成果。但是，射頻電調(diào)帶通濾波器普遍面臨著以下一些缺陷(I)現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，許多無線信道的絕對帶寬是恒定不變的，因此，可調(diào)諧濾波器應(yīng)用在這種場合時，需要在調(diào)諧中心頻率時通帶的絕對帶寬和波形保持恒定不變。然而，現(xiàn)有技術(shù)中，隨著中心頻率的改變，絕對帶寬往往劇烈變化。(2)電調(diào)濾波器由于一般采用多階諧振器結(jié)構(gòu)，并且有額外的隔直電容等，使得濾波器的插入損耗較大且不同頻率上的插入損耗差別較大，給系統(tǒng)設(shè)計中的鏈路增益分配帶來不便。(3)由于現(xiàn)有技術(shù)往往采用把每一階諧振器的一端通過接變?nèi)莨芙拥?，使得電調(diào)濾波器的調(diào)節(jié)范圍較小，無法實現(xiàn)中心頻率的大范圍調(diào)諧。針對中心頻率調(diào)諧時通帶絕對帶寬改變這個問題，目前一些方法已經(jīng)被提出來使中心頻率調(diào)諧時帶寬保持恒定。根據(jù)“Han-UI Moon ；Seung-Un Choi ；Young-Ho Cho ；and Sang-Won Yun ;Size_Reduced Tunable Hairpin Bandpass Filter using Apertur eCoupling with Enhanced Selectivity and Constant Bandwidth, in MicrowaveSymposium Digest, pp. 747-750, 2008”所提供的分析可知,利用一個可變電容器來控制不同頻率下的耦合量可以達到恒定的絕對帶寬。這種方法的缺點是需要使用額外的電容來控制級間的稱合強度，導(dǎo)致調(diào)諧復(fù)雜。根據(jù)“Yi-Chyun Chiou ；Rebeiz, G. M. ；A TunableThree-Pole I. 5-2. 2-GHz Bandpass Filter With Bandwidth and Transmission ZeroControl, IEEE Trans Microw. Theory Tech. , pp. 2214-2220, September 2011,59, (9)，，所提出的結(jié)構(gòu)，由于引入除控制電長度的變?nèi)荪藰O管外，還引入了額外的兩個變?nèi)荪藰O管和一段類似電感作用的微帶線，分別控制電耦合和磁耦合，從而控制帶寬。這將使實現(xiàn)過程中的插入損耗大為増大且調(diào)節(jié)非常繁瑣。無論是エ業(yè)應(yīng)用還是集成化的需要，尤其是移動終端和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求，都急需ー種設(shè)計簡單，低插損、絕對帶寬恒定可靠的電調(diào)帶通濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題，提出了ー種結(jié)構(gòu)簡單、中心頻率調(diào)諧范圍寬、帶寬恒定、插入損耗很小、低成本、易加工的射頻微帶可調(diào)濾波器，以滿足移動終端和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案說明如下本發(fā)明是ー種低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，包括金屬地板，介質(zhì)基板，諧振器，變?nèi)莨埽绷髌秒娐?，輸入輸出端?；輸入、輸出耦合線均為50Q微帶線；帶通濾波電路的輸入端通過匹配枝節(jié)連接到諧振器上，諧振器通過輸出匹配枝節(jié)和輸出端相連；直流偏置電路接在使變?nèi)莨芊雌ぷ鞯奈恢茫恢C振器、直流偏置電路、輸入輸出端ロ均印制在介質(zhì)基板上，本發(fā)明的諧振器為半波長諧振器，為偶模單階諧振器，半波長諧振器包括三段微帶線，左右兩段微帶線相互對稱，該兩段對稱微帶線的一端均通過至少一個變?nèi)荪藰O管和中間的一段微帶線相連接，三段微帶線之間的位置間隔稱為開ロ，該兩段相互對稱的微帶線的另一端均設(shè)有接地孔，整體呈軸對稱結(jié)構(gòu)，直流偏置電路通過大電阻和短路線接在中間一段微帶線中心，匹配調(diào)節(jié)電感焊接在匹配枝節(jié)和輸入輸出微帶線之間。本發(fā)明采用單階諧振結(jié)構(gòu)，輸入輸出直接饋電，使該濾波器的插損很小。同時，濾波器輸入輸出兩端米用電感結(jié)合的匹配電路。在一定范圍內(nèi)使電感值變小，貝1J帶寬變大，插入損耗變小。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于變?nèi)莨堀藰O對稱放置級聯(lián)，中心偏壓饋電，兩側(cè)饋電點均位于左右兩段微帶線上，作為電調(diào)諧元件的變?nèi)荪藰O管互為隔直電容，以減小損耗。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于所述的濾波器通過調(diào)節(jié)匹配枝節(jié)的饋電點位置，匹配枝節(jié)的寬度，構(gòu)成諧振器的三段微帶線的寬度，以及電感值的大小，實現(xiàn)中心頻率的寬范圍調(diào)諧匹配。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于構(gòu)成半波長諧振器的左右兩段對稱微帶線與中間一段微帶線處在同一水平直線位置，形成“一”字型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于構(gòu)成諧振器的左右兩段微帶線也可豎直放置，與中間一段微帶線構(gòu)成U型結(jié)構(gòu)諧振器，以減小尺寸。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于構(gòu)成半波長諧振器的三段微帶線之間相距0. 3-3mm,既適宜變?nèi)荪藰O管的大小，開ロ大小也將不影響該電路作為微波射頻電路的特性。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于所述的半波長諧振器兩個開ロ位置，連接的變?nèi)荪藰O管為ー組，每組包括兩個以上的變?nèi)荪藰O管，提高整個濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1.本發(fā)明采用了使兩個開口處的變?nèi)荻O管對稱放置級聯(lián)、中心饋電的結(jié)構(gòu)，兩側(cè)饋電點均位于左右兩段微帶線上，從而避免了其引入額外的隔直電容帶來的損耗，使該濾波器的損耗減小IdB以上。2.本發(fā)明采用單階諧振結(jié)構(gòu)，輸入輸出端通過電感耦合，直接饋電，使該濾波器的損耗大為減小。3.本發(fā)明采用軸對稱結(jié)構(gòu)，只需要一個直流控制電路，使其控制簡單。4.本發(fā)明可以簡便地控制通帶帶寬，在微帶印制電路確定后，通過在一定范圍內(nèi)改變所選電感元件值的大小，即可調(diào)節(jié)濾波器通帶帶寬的大小。5.本發(fā)明的半波長諧振器通過中間一段微帶線級聯(lián)兩個(或兩組)變?nèi)荻O管，增大了中心頻率的調(diào)諧范圍，頻率變化范圍為25% -60%。在下文的具體實施例7中，絕對調(diào)諧范圍為58%。6.本發(fā)明的電調(diào)帶通濾波器在比較寬的中心頻率調(diào)諧范圍內(nèi)，帶寬仍可基本保持恒定。在下文的具體實施例7中，在58%的絕對調(diào)諧范圍內(nèi)，絕對帶寬的變化范圍為116M±9%,已經(jīng)可以滿足我們對于絕對帶寬的變化要求。7.本發(fā)明能根據(jù)實際需求進行自適應(yīng)改進，通過改變諧振器長度、變?nèi)荻O管的型號來調(diào)節(jié)諧振工作頻段；通過改變饋電點與諧振器的連接位置，饋電匹配枝節(jié)的寬度和電感值，以及變?nèi)莨軆蓚?cè)微帶線的阻抗大小，改變外部Q值；從而滿足不同的應(yīng)用需求，設(shè)計簡單靈活。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明具體實施例7中的插入損耗仿真和實測結(jié)果圖，其中(a)是插入損耗仿真結(jié)果，(b)是實測結(jié)果；圖5是本發(fā)明具體實施例7中的回波損耗仿真和實測結(jié)果圖，其中(a)是回波損耗仿真結(jié)果，(b)是實測結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步描述實施例I :參見圖1，本發(fā)明是一種低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，包括金屬地板I，介質(zhì)基板2，半波長諧振器3，變?nèi)莨?，直流偏置電路8，輸入輸出端口 11，帶通濾波電路的輸入端通過匹配枝節(jié)9連接到半波長諧振器3上，半波長諧振器3通過輸出匹配枝節(jié)9和輸出端11相連；直流偏置電路8接在使變?nèi)莨芊雌ぷ鞯奈恢?，參見圖1，諧振器、直流偏置電路、輸入輸出端口 11均印制在介質(zhì)基板上，側(cè)視圖參見圖2。本發(fā)明的諧振器為半波長諧振器3，為偶模單階諧振器，半波長諧振器包括三段微帶線，左右兩段微帶線相互對稱，該兩段對稱微帶線的一端均通過至少一個變?nèi)荻O管5和中間的一段微帶線相連接，三段微帶線之間的位置間隔稱為開口，左右兩段微帶線與中間一段微帶線相距0. 5_。
構(gòu)成半波長諧振器3的左右兩段對稱微帶線豎直放置，與中間一段微帶線構(gòu)成U型結(jié)構(gòu)諧振器，以減小尺寸。該兩段相互対稱的微帶線的另一端均設(shè)有接地孔4，整體呈軸對稱結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用軸對稱結(jié)構(gòu)，只需要ー個直流控制電路，使其控制簡単。直流偏置電路8通過大電阻7和短路線6接在中間一段微帶線中心，匹配調(diào)節(jié)電感10焊接在匹配枝節(jié)9和輸入輸出微帶線11之間。通過調(diào)節(jié)匹配枝節(jié)9的饋電點位置，匹配枝節(jié)9的寬度，構(gòu)成諧振器的三段微帶線的寬度，以及電感10值的大小，實現(xiàn)中心頻率的寬范圍匹配。本發(fā)明采用了使兩個開ロ處的變?nèi)荪藰O管5對稱放置級聯(lián)、中心饋電的結(jié)構(gòu)，兩側(cè)饋電點均位于左右兩段微帶線上，從而避免了其引入額外的隔直電容帶來的損耗，使該濾波器的損耗減小IdB以上。實施例2 低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器其的整體構(gòu)成同實施例1，參見圖3，構(gòu)成半波長諧振器3的左右兩段對稱微帶線與中間一段微帶線在同一水平直線上，形成“一” 字型結(jié)構(gòu)。根據(jù)集成電路設(shè)計的方向，可以將輸入輸出端ロ設(shè)計在同一側(cè)，便于集成化。實施例3 低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器其的整體構(gòu)成同實施例1-2，三段微帶線之間的位置間隔稱為開ロ，左右兩段微帶線與中間一段相距0. 3_。實施例4 低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器其的整體構(gòu)成同實施例1-3，三段微帶線之間的位置間隔稱為開ロ，左右兩段微帶線與中間一段微帶線相距3_。實施例5 低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器其的整體構(gòu)成同實施例1-4，半波長諧振器3兩個開ロ位置處，各自連接的變?nèi)荪藰O管為一組，每組包括兩個變?nèi)荪藰O管。參見圖I，在連接ー個變?nèi)莨艿牡胤?，換為兩個并聯(lián)連接的變?nèi)莨?，可以減小插入損耗，使通帶頻段向聞處移動，提聞品質(zhì)因數(shù)Q值。實施例6 低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器其的整體構(gòu)成同實施例1-4，半波長諧振器3兩個開ロ位置處，各自連接的變?nèi)荪藰O管為ー組，每組包括三個變?nèi)荪藰O管。參見圖1，在連接ー個變?nèi)莨艿牡胤?，換為三個并聯(lián)連接的變?nèi)莨?，可以減小插入損耗，使通帶頻段向聞處移動，提聞品質(zhì)因數(shù)Q值。實施例I 低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器其的整體構(gòu)成同實施例1-6，參見圖1，本發(fā)明的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，包括金屬地板1，介質(zhì)基板2，新型半波長諧振器3，金屬化過孔4，變?nèi)荪藰O管5，偏置電壓電路8，匹配枝節(jié)9，耦合電感10，輸入輸出50Q匹配線11。介質(zhì)基板2的介電常數(shù)為2. 65,邊長為20mmX40mm,厚度為0. 8mm ;通過隔直電阻7連接偏置電壓電路8，電阻值為1K-20K Q，偏置電壓電路8連接有直流電源。參見圖3，U表示諧振器兩段對稱微帶線短路點距離輸入輸出饋電點的距離，L2為諧振器兩段對稱微帶線另一端距離輸入輸出饋電點的距離，L3為諧振器中間一段微帶線距離的一半；Wl為諧振器左右兩段對稱微帶線的寬度，W2為諧振器中間一段微帶線的寬度。
參見圖I,其中，L1 = 5. 5mm, L2 = 2. 05mm, L3 = 2. 05mm, W1 = I. 5mm, w2 = 2mm。兩個端點的電壓通過半徑為0. 8mm的金屬化接地孔，被限制在電壓零點，此時中心對稱位置的耦合能量最大。同步改變兩個變?nèi)莨?的電容大小，相當(dāng)于改變半波諧振器的等效電長度，從而可以改變其諧振頻率。該發(fā)明應(yīng)用簡便，只用使用一個外部控制電壓來同步調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿拇笮。⑶覜]有使用額外的隔直電容，因而避免了引入額外的插入損耗。傳統(tǒng)濾波器一般使用電容進行輸入、輸出的能量耦合，這種設(shè)計所產(chǎn)生的帶寬會隨著頻率的升高迅速變寬。本設(shè)計使用固定電感進行輸入、輸出的能量耦合，能在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配，這也是保證帶寬恒定的重要因素之一，從式(4)，式(5)中得出。輸入輸出微帶線11長為Ltl = 5. 2mm,寬為wQ = 2. 2mm。當(dāng)電感值(兩個電感值大小相同)一定時，通過外部偏置電壓改變變?nèi)莨艿碾娙葜?，可以在很大的頻率的變化范圍內(nèi)，使帶寬在一個數(shù)值附近保持恒定。電感值減小時，帶寬將會增大，而由公式(I)可以看出，插入損耗將會減小。
權(quán)利要求
1.ー種低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，包括金屬地板，介質(zhì)基板，諧振器，變?nèi)莨埽绷髌秒娐?，輸入輸出端?；帶通濾波電路的輸入端通過匹配枝節(jié)連接到諧振器上，諧振器通過輸出匹配枝節(jié)和輸出端相連，直流偏置電路接在使變?nèi)莨芊雌ぷ鞯奈恢茫恢C振器、直流偏置電路、輸入輸出端ロ均印制在介質(zhì)基板上；其特征在于所述諧振器為半波長諧振器(3)，為偶模單階諧振器，半波長諧振器包括三段微帶線，左右兩段微帶線相互對稱，該兩段對稱微帶線的一端均通過至少一個變?nèi)荪藰O管(5)和中間的一段微帶線相連接，三段微帶線之間的位置間隔稱為開ロ，該兩段相互対稱的微帶線的另一端均設(shè)有接地孔(4)，整體呈軸對稱結(jié)構(gòu)，直流偏置電路(8)通過大電阻(7)和短路線(6)接在中間一段微帶線中心，匹配調(diào)節(jié)電感(10)焊接在匹配枝節(jié)(9)和輸入輸出微帶線(11)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，其特征在于變?nèi)荪藰O管(5)對稱放置級聯(lián)，中心偏壓饋電，兩側(cè)饋電點均位于左右兩段微帶線上，所述兩個變?nèi)荪藰O管(5)互為隔直電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，其特征在于所述的濾波器通過調(diào)節(jié)匹配枝節(jié)(9)的饋電點位置，匹配枝節(jié)(9)的寬度，構(gòu)成諧振器的三段微帶線的寬度，以及電感(10)值的大小，實現(xiàn)中心頻率的寬范圍匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，其特征在于構(gòu)成半波長諧振器(3)的左右兩段對稱微帶線與中間一段微帶線處在同一水平直線位置，形成“一”字型結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，其特征在于構(gòu)成諧振器的左右兩段對稱微帶線也可豎直放置，與中間一段微帶線構(gòu)成U型結(jié)構(gòu)諧振器，以減小尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4、5所述的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，其特征在于構(gòu)成半波長諧振器(3)的三段微帶線之間，左右兩段對稱微帶線與中間一段微帶線相距0.3_3mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，其特征在于所述的半波長諧振器(3)兩個開ロ位置，連接的變?nèi)荪藰O管為ー組，每組包括兩個以上的變?nèi)荪藰O管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低插損、絕對帶寬恒定的電調(diào)帶通濾波器，解決了中心頻率調(diào)諧范圍內(nèi)通帶絕對帶寬變化大，插入損耗大等問題。本發(fā)明將諧振器設(shè)計為半波長諧振器，為偶模單階諧振器，包括三段微帶線，左右兩段相互對稱，一端均通過至少一個變?nèi)荻O管和中間一段微帶線連接，一端接地，呈軸對稱結(jié)構(gòu)，或為U型，或為“一”字型結(jié)構(gòu)。直流偏置電路接在變?nèi)莨芊雌ぷ魑恢谩Ｔ?8％的絕對調(diào)諧范圍內(nèi)，絕對帶寬的變化范圍為116M±9％，滿足絕對帶寬變化要求。本發(fā)明寬范圍中心頻率可調(diào)、絕對帶寬恒定、插入損耗小、低成本、易加工，可應(yīng)用在射頻前端系統(tǒng)中，適應(yīng)多種通信協(xié)議頻段，如全球微波互聯(lián)接入Wi-Fi，無線局域網(wǎng)WLAN。
文檔編號H01P1/203GK102664296SQ201210128828
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者劉衛(wèi)強, 史小衛(wèi), 王言義, 逄春輝, 魏峰 申請人:西安電子科技大學(xué)