CN112164849B - 基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，属于基本电气元件的技术领域。该滤波器由上层微带线、中间层介质板、下层金属层组成，上层微带线集总有全耦合谐振器及馈电网络，下层金属层加载有缺陷地单元。该滤波器拥有较大的频率调节范围，绝对带宽的浮动范围较小，在上阻带拥有一个传输零点，扩大了其频率选择性。本发明具有良好的通带特性，反射特性且传输特性良好，非常适合可调射频前端的使用。

Description

基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器

技术领域

本发明公开了基于缺陷地（DGS，Defected Ground Structures）加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，此滤波器具有结构紧凑，调频范围较宽，调频过程中带宽恒定等特点，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

当前，多种通信标准的共存要求无线通信系统工作在不同频段、不同带宽。例如，早期的GSM、CDMA2000和WCDMA仍未退出历史舞台，TD-LTE 和 FDD-LTE 正蓬勃发展，5G国际标准也在紧锣密鼓地推进中，兼容多个通讯标准和系统对微波滤波器的设计提出了更高的要求。随着要求支持的频段变多，多频滤波器的复杂度和设计难度也大大增加，可重构滤波器件正是在此背景下应运而生的。可重构滤波器件不仅仅能够减少系统的体积和成本，而且拥有良好的电磁兼容性，因此可以满足不同的系统需求。可调射频前端技术的发展对各种应用于可调射频发射机与接收机的器件提出了更高的要求，器件的高性能和小型化是必然趋势。在军事应用上，电子侦察系统必须对战场上所有雷达探测的信息进行收集和分类，因此要求接收机具备相当宽的工作频带；另一方面，电子反侦查系统为了有效对抗敌方电子侦察系统的干扰，也要求发射机能够覆盖较宽的频段。可重构滤波器对于军事上这种分类多频段的信息系统是必不可少的器件。再者，现代电子战中，为了确保雷达系统的绝对安全，要求收发机的工作频率能够避免敌方干扰迅速跳变，电可重构滤波器因其具备响应时间短、中心频率可连续或离散调谐等特点在军事系统中得到广泛应用。

在众多绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器的研究与发明中，大部分都是通过谐振器某个区域的耦合使得其耦合系数k随频率增加而减小，因为只是耦合了某个部分，谐振器的其余部分被安置在多余的空间中，这无疑会影响滤波器的整体尺寸。在一些文献中出现了λ_g/4谐振器接地传输线接电感与变容二极管再接地或是靠近接地端采用阶梯阻抗形式使得谐振器全耦合的绝对带宽恒定的可调带通滤波器，但是增加的器件和阶梯阻抗的设计无疑会使得仿真设计耦合曲线的困难加大。也有的发明是将抽头式的变容二极管加载到谐振器上，这无疑会对滤波器的稳定性造成影响。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，实现了一种λ_g/4全耦合形式的绝对带宽恒定频率可调滤波器的，结构紧凑，调频范围较大，解决了现有λ_g/4全耦合形式的可调带通滤波器结构较大且调频范围较小的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，由上层微带层、中间层介质板、具有DGS的下层金属层组成；上层微带层包括：第一输入/输出端口、第二输入输出/端口以及第一馈电网络、耦合谐振器、第二馈电网络组成的上层微带结构，耦合器包括平行耦合的第一微带谐振器、第二微带谐振器，第一微带谐振器与第二微带谐振器关于耦合缝隙中线对称，第一馈电网络的信号输入端接第一输入/输出端口，第二馈电网络的信号输出端接第二输入/输出端口，第一馈电网络位于第一谐振器的外侧且与第一微带谐振器平行耦合，第二馈电网络位于第二谐振器的外侧且与第二微带谐振器平行耦合。

第一馈电网络由第一传输线、第二传输线、第一电容组成，第一传输线的一端与第一输入/输出端口相连，第一传输线的另一端与第一电容的一极相连，第一电容的另一极与第二传输线的一端相连，第二传输线的末端经过孔接地；第二馈电网络由第三传输线、第四传输线、第二电容组成，第三传输线的一端与第二输入/输出端口相连，第三传输线的另一端与第二电容的一极相连，第二电容的另一极与第四传输线六的一端相连，第四传输线六的末端经过孔接地。

耦合谐振器由平行耦合的第一微带谐振器与第二微带谐振器组成，第一微带谐振器由第五传输线、第一变容二极管、第三电容、第一电感组成，第五传输线的一端过孔接地，第一变容二极管的阳极与第五传输线的开路端相连，第一变容二极管的阴极与第一电感的一端以及第三电容的一极相连，第一电感的另一端经一段微带线与直流电源相连，第三电容的另一极接过孔接地；第二微带谐振器由第六传输线、第二变容二极管、第四电容、第二电感组成，第六传输线的一端经过孔接地，第二变容二极管的阳极与第六传输线的开路端相连，第二变容二极管的阴极与第二电感的一端以及第四电容的一极相连，第二电感的另一端经一段微带线与直流电源相连，第四电容的另一极经过孔接地。

进一步地，第一输入/输出端口与第二输入/输出端口处于同一水平线上且关于中轴线对称，中间轴线位于第五传输线与第六传输线中间缝隙的中间位置，第五传输线和第六传输线与之对称。，第二传输线和第四传输线为细窄传输线，接入的细窄传输线能够使得外部耦合随频率的增加而增大，调节第一电容与第二电容的容值可以改变这一趋势的斜率。调节第一、第二变容二极管的容值改变耦合谐振器的谐振频率。

进一步地，缺陷地单元通过刻蚀接近耦合谐振器变容二极管的下层金属层获得，且该缺陷地单元关于耦合谐振器耦合缝隙的中线对称。缺陷地单元的引入削弱了靠近变容二极管一侧耦合谐振器的电磁耦合，使得总的耦合系数增大，且通过调节谐振器单元的长度L ₂与宽度W ₃改变耦合系数的斜率。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本申请通过在全耦合形式谐振器的外侧设计用于调节外部品质因数的馈电网络，并在金属层中设计了调整耦合系数的缺陷地单元，根据要实现的恒定绝对带宽确定符合带宽要求的耦合系数以及外部品质因数，调整缺陷地单元的尺寸及加载位置即可得到符合带宽要求的耦合系数，调整馈电网络与谐振器之间的距离以及馈电网络中加载电容的容值即可得到符合带宽要求的外部品质因数，具有较大的频率调节范围，绝对带宽的浮动范围较小，能够满足部分射频前端系统对于可调滤波器带宽恒定的需求。

（2）本申请通过λ_g/4谐振器的全平行耦合结构即可实现绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，在上阻带产生了一个传输零点，能够为提供良好的频率选择性，无需采用λ_g/2波长谐振器的部分耦合形式，无需在接地端采用变容二极管与电感的方式使得耦合系数随频率增大而减小，DGS的引入很好地解决了耦合系数大小与斜率的调节，可以避免现有λ_g/4全耦合形式可调带通滤波器结构大且调频范围小的缺陷。

（3）本申请通过PCB工艺实现微带电路结构的频率可调带通滤波器，结构紧凑，易于制作，回波损耗以及插入损耗较低，能够使用于可调收发系统的前端，具有良好的稳定性。

（4）本申请公开的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器以微带电路形式实现，结构紧凑，使用PCB工艺实现，易于制作，节省时间成本。

附图说明

图1是本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器的结构图。

图2是本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器上层微带结构图。

图3是本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器下层金属层的结构图。

图4是本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器在0.5-1.5GHz的S11的频率响应曲线图。

图5是本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器在0.5-1.5GHz的S21的频率响应曲线图。

图中标号说明：1、第一输入/输出端口，2、第二输入/输出端口，3、第一传输线，4、第二传输线，5、第三传输线，6、第四传输线，7、第五传输线，8、第六传输线，9、DGS单元，C ₁~C ₄为第一至第四电容，D ₁、D ₂为第一、第二变容二极管，L _r1、L _r2为第一、第二电感。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明公开的频率可调带通滤波器，包括：上层微带层、中间介质层、以及下层金属层，上层金属层附着在中间介质层的上表面，下层金属层附着在中间介质层的下表面，上层金属层为第一输入/输出端口、第二输入输出/端口、集总了第一馈电网络、第二馈电网络及耦合谐振器的微带线结构组成的上层微带线结构，下层金属层具有DGS单元。

如图1、图2所示，上层微带线结构中，耦合谐振器为关于耦合缝隙中线对称的结构，第一输入/输出端口1与第二输入输出/端口2关于耦合器缝隙中线对称，第一馈电网络和第二馈电网络分别位于耦合谐振器的两测且关于耦合缝隙中线对称。第一馈电网络由第一传输线3、第二传输线4、第一电容C ₁组成，第一传输线3的一端与第一输入/输出端口1相连，第一传输线3的另一端与第一电容C ₁的一极相连，第一电容C ₁的另一极与第二传输线4的一端相连，第二传输线4的另一端即末端经过孔接地。第二馈电网络由第三传输线5、第四传输线6、第二电容C ₂组成，第三传输线5的一端与第二输入/输出端口2相连，第三传输线5的另一端与第二电容C ₂的一极相连，第二电容C ₂的另一极与第四传输线6的一端相连，第四传输线6的另一端即末端经过孔接地。耦合谐振器由平行耦合的第一谐振器与第二谐振器组成，第一谐振器与第二谐振器均为λ_g/4谐振器，第一谐振器由第五传输线7、第一变容二极管D ₁、第三电容C ₃、第一电感L _r1组成，第五传输线7的一端经过孔接地，第一变容二极管D ₁的阳极与第五传输线7的另一端即开路端相连，第一变容二极管D ₁的阴极与第一电感L _r1的一端以及第三电容C ₃的一极相连，第一电感L _r1的另一端经一段微带线与电源V _t1相连，第三电容C ₃的另一极经过孔接地；第二谐振器由第六传输线8、第二变容二极管D ₂、第四电容C ₄、第二电感L _r2组成，第六传输线8的一端经过孔接地，第二变容二极管D ₂的阳极与第六传输线8的开路端相连，第二变容二极管D ₂的阴极与第二电感L _r2的一端以及第四电容C ₄的一极相连，第二电感L _r2的另一端经一段微带线与电源V _t2相连，第四电容C ₄的另一极经过孔接地。如图2、图3所示，下层金属层中靠近两变容二极管阳极的局部加载有DGS单元9，DGS单元的长度为L ₂、宽度为W ₃且关于耦合缝隙中线对称。

图1、图2、图3所示的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器中，第二传输线4和第四传输线6为细窄传输线，W ₂<W ₁，细窄传输线能够使得外部耦合随频率的增加而增大，且通过选取第一电容、第二电容的容值以及调整馈电网络与谐振器之间的距离S ₂可以改变外部耦合随频率增大的斜率，通过调整两个变容二极管的容值改变耦合器的谐振频率，两个电感起到扼制射频信号的作用，第三电容和第四电容为两个谐振器提供直流偏置。

不同于以往的恒定带宽滤波器，本申请中的耦合器为全耦合形式，通过调整DGS的尺寸或是改变DGS的加载位置调整耦合系数以使耦合系数的变化规律与计算的理想状态一致。如图3所示：当调节DGS的长度L ₂时，耦合系数变化规律曲线的斜率随着长度的增加而增大；当调节DGS的宽度W ₃时，耦合系数的取值范围随着宽度的增加而变大；当调节DGS的加载位置即L ₃时，耦合系数的取值范围随着L ₃的增加而变大，耦合系数变化规律曲线的斜率随着L ₃的增加而增大。

在本实施例中，设计了一款中频调节范围0.68-1GHz,恒定带宽为50MHz的恒定带宽滤波器，中层介质基板的介电常数为3.35，厚度为0.508mm，变容二极管选用skyworks 的SMV1408-040LF（容值变化范围为0.95-4.08）在基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器中第五传输线与第六传输线的宽度W ₁设置在1mm，两传输线的间距S ₁为1.2mm，在变容二极管的容值均为1PF、第三电容与第四电容的容值均为100pF、两个电感的感值均为100nH时，耦合谐振器的中心频率谐振在1.02GHz，两传输线的长度L ₁为35mm；第一输入/输出端口所连接的第一传输线与第二输入/输出端口连接的第三传输线的长度L ₀为3.4mm，宽度W ₀为1.1mm；与第一传输线所接的第一电容以及与第三传输线连接的第二电容的容值为8pF，与第一电容连接的终端接地窄带传输线的长度、与第二电容连接的终端接地窄带传输线的长度以及谐振器的长度一致为35mm，窄带传输线的宽度W ₂为0.5mm；窄带传输线与谐振器传输线平行耦合，窄带传输线与谐振器传输线间距S ₂为0.35mm；窄传输线与谐振器间的间距S ₂可以控制外部品质因数的变化范围，调节第一电容与第二电容的容值能够调节外部品质因数与频率变化的幅度；DGS单元被放置于接近变容二极管的一侧，且其几何中心与谐振器传输线接地端直线距离L ₃为31.5mm,长度L ₂为4mm，宽度W ₃为6mm，调节DGS所加载的位置L ₃及其长度L ₂宽度W ₃以及谐振器间的间距S ₁能够使得耦合系数k的变化与我们的预期相符，调节L ₂,W ₃可以调节k值的范围以及斜率的幅度，调节L ₃可以使得k值随频率呈正比，反比或是不变。

滤波器的|S₁₁|幅度响应，反射特性响应。图4为本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器在0.5-1.5GHz的|S11|频率响应图曲线示意图，其回波损耗能够达到-18dB以下，中心频率的调频范围为0.68-1.02GHz。

滤波器的|S₂₁|幅度响应，传输特性响应。图5为本发明基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器在0.5-1.5GHz的|S21|频率响应图曲线示意图，其插入损耗小于0.2dB，中心频率的调频范围为0.68-1.02GHz，0.1dB带宽为50±4MHz。

应该指出本实施例只是采用了较为简单的二阶滤波器形式，通过在谐振器底部加载DGS单元可用于阶数大于2的频率可调滤波器当中用于调节谐振器与谐振器间的耦合系数的变化趋势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视本明的保护范围。

Claims (4)

1.基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，包括：上层微带层、中间介质层、下层金属层，上层微带层附着在中间介质层的上表面，下层金属层附着在中间介质层的下表面，其特征在于，所述上层微带层集总有第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、第一馈电网络、耦合器、第二馈电网络，耦合器包括平行耦合的第一微带谐振器、第二微带谐振器，第一微带谐振器与第二微带谐振器关于耦合缝隙中线对称，第一馈电网络的信号输入端接第一输入/输出端口，第二馈电网络的信号输出端接第二输入/输出端口，第一馈电网络位于第一谐振器的外侧且与第一微带谐振器平行耦合，第二馈电网络位于第二谐振器的外侧且与第二微带谐振器平行耦合，下层金属层靠近微带谐振器末端的局部具有缺陷地单元，以缺陷地单元几何中心与微带谐振器首端之间的距离表征缺陷地单元的加载位置，根据耦合系数变化曲线的斜率随缺陷地长度增加而增加、耦合系数取值范围随着缺陷地宽度的增加而变大、耦合系数取值范围随着缺陷地加载位置数值的增加而变大、耦合系数变化曲线的斜率随着缺陷地加载位置数值的增加而增大的规律确定缺陷地单元的长度、宽度以及加载位置。

2.根据权利要求1所述基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，其特征在于，所述第一微带谐振器和第二微带谐振器均为λ_g/4谐振器。

3.根据权利要求2所述基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，其特征在于，所述第一微带谐振器包括：第五传输线、第一变容二极管、第一电感、第三电容，第五传输线的一端经过孔接地，第一变容二极管的阳极与第五传输线的另一端即开路端相连，第一变容二极管的阴极与第一电感的一端以及第三电容的一极相连，第一电感的另一端经一段微带线与电源相连。

4.根据权利要求3所述基于缺陷地加载的绝对带宽恒定的频率可调带通滤波器，其特征在于，所述第一馈电网络包括第一传输线、第一电容、第二传输线，第一传输线的一端与第一输入/输出端口相连接，第一传输线的另一端与第一电容的一极相连，第一电容的另一极与第二传输线的一端相连，第二传输线的另一端经过孔接地，所述第二传输线的宽度小于第五传输线的宽度。

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