專利名稱：帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的基于變容二極管的射頻電調帶通濾波器，具體涉及到一種帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器。
背景技術：
電調濾波器是跳擴頻通信技術、抗干擾雷達、動態頻率分配技術、多功能接收機、雜散發射測量等方面的關鍵技術之一。自二戰以來，電調濾波器一直都是各國研究的熱點之一。在這個方面，目前已經有了一些研究報道，多種結構的電調濾波器已經被提出。然而近年來雷達和通信技術的快速發展對電調濾波器提出了更高的性能要求。現代超寬帶雷達和無線通信要求采用高性能的可重構射頻前端。為了充分利用和融合各種不同的無線信道和通信標準，射頻前端需要工作在不同頻率和帶寬上，這就要求一種同時具有頻率和帶寬調節能力的可重構射頻前端。具有頻率和帶寬調節能力的可重構濾波器(fully tunable filter)是可重構射頻前端的重要組成部分。該種濾波器是電調濾波器研究的前沿和趨勢之一，目前國際上只有少量文獻報道(不超過10篇，且基本均發表在Trans上),但普遍存在以下問題:(I)帶寬調節范圍較小，由于結構設計方面的問題，具有頻率和帶寬調節能力的可重構濾波器都只能實現最大不超過15%的帶寬。而目前寬帶通信技術愈發成熟，并已經進入實用階段。雖然寬帶濾波器的研究已經進行多年，并取得了豐碩的成果，然而寬帶可重構濾波器的研制方面國內外都是極其罕見。顯然最大15%的帶寬遠遠不能滿足現代寬帶通信系統的需求。(2)在中心頻率或者帶寬變化時，不能保持穩定的濾波性能，主要表現在回波損耗時大時小，通帶紋波不均勻等方面，影響了系統整體響應的穩定性。本發明中所提到的濾波性能主要包括回波損耗、紋波特性、帶外抑制度和插入損耗等。針對帶寬調節范圍小的問題，雖有文獻研發了一些寬帶的可調節帶寬的電調濾波器，然而往往不能自由控制其中心頻率，因此在實際應用中受到了很大的限制。多模諧振器最早由Lei Zhu教授于2005年提出，由于單個諧振器中同時包含了多個諧振模式，所以被廣泛應用到寬帶濾波器的設計中。但是到目前為止還沒有關于如何將多模諧振器應用于頻率和帶寬都可調的可重構濾波器中的報道。針對中心頻率和帶寬調節時保持穩定濾波性能的問題，到目前為止也沒有任何關于如何在中心頻率和帶寬調節時穩定或控制濾波性能的研究報道。除了上述兩個普遍問題外，部分具有頻率和帶寬調節能力的可重構濾波器還存在著插入損耗大，需要的控制直流電源多，體積大等問題。總之，目前的可重構濾波器的設計中還需要解決帶寬調節范圍小、調節時性能不穩定等方面的問題
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于微帶線可調多模諧振器和可調阻抗匹配電路的可重構帶通濾波器，該可重構帶通濾波器可以實現高達83%的頻率調節范圍和95%的帶寬，同時在各個工作頻率和帶寬狀態下都可以調節控制其濾波性能。本發明解決其技術問題所采用的技術方案為:一種帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器，包括上層的微帶結構，中間層介質基板和下層的接地金屬；上層微帶結構附著在中間層介質基板上表面，中間層的下表面為接地金屬；上層的微帶結構由一個輸入端口、一個輸入饋電網絡、一個輸入可調阻抗匹配電路、一個十字形可調多模諧振器、一個輸出可調阻抗匹配電路、一個輸出饋電網絡和一個輸出端口順次連接構成；十字形可調多模諧振器由相互垂直的兩條微帶線和兩端連接的四個變容二極管組成，其中水平微帶線和垂直微帶線的兩端分別連接一個變容二極管，具體為:十字形可調多模諧振器包括水平矩形微帶線和垂直矩形微帶線，水平微帶線的一端連接第一變容二極管，另一端連接第二變容二極管；垂直微帶線從水平微帶線的中點垂直穿過，一端連接第三變容二極管，另一端連接第四變容二極管；輸入可調阻抗匹配電路包括第五變容二極管和第一變容二極管，所述第五變容二極管和第一變容二極管均與十字形可調多模諧振器的水平微帶線相連接；輸出可調阻抗匹配電路包括第六變容二極管和第二變容二極管，所述第六變容二極管和第二變容二極管均與十字形可調多模諧振器的水平微帶線的另一端相連接；輸入饋電網絡包括順次連接的50歐姆矩形微帶線和第一隔直電容，所述第一隔直電容的另一端與第五變容二極管相連接，輸出饋電網絡包括順次連接的50歐姆矩形微帶線和第二隔直電容，所述第二隔直電容的另一端與第六變容二極管相連接；輸入端口和輸出端口的特性阻抗均為50歐姆；所述的十字形可調多模諧振器左右鏡像對稱；輸入可調阻抗匹配電路、輸出可調阻抗匹配電路、輸入饋電網絡、輸出饋電網絡、輸入端口、輸出端口呈左右鏡像對稱分布；整個濾波器結構左右鏡像對稱；濾波器工作時，第一變容二極管、第二變容二極管可以等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯，其中可變電抗部分分別參與構成了輸入可調阻抗匹配電路、輸出可調阻抗匹配電路，可變電容部分參與構成了十字形可調多模諧振器。上述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器中，所述變容二極管的空置端均穿過中間層介 質基板與下層接地金屬相連。為了進一步實現本發明的目的，上述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器中，所述的十字形可調多模諧振器中的水平微帶線長4 50mm,寬0.2 2_ ；垂直微帶線寬0.2 3mm，處于水平微帶線上面的部分長2 30mm，處于水平微帶線下面的部分長I 20mm。所述的饋電網絡中兩個隔直電容的容值相同且都在6pF以上。上述介質基板的介電常數ε ^為2 10，高度為0.2 1mm。本發明設計的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器中，所述的十字型可調多模諧振器可以實現較大的頻率和帶寬調節范圍，解決了當前可重構濾波器帶寬有限的問題；所述的十字型可調多模諧振器同時具有三個獨立調節的極點，可以保證通帶內均勻的紋波，降低插入損耗；所述的可調阻抗匹配電路能在調節過程中保證可調多模諧振器與饋電網絡之間良好的阻抗匹配，使得回波損耗、帶外抑制度、紋波特性等濾波性能可控。與現有技術相比，其顯著優點為:I)本發明設計了微帶線十字形可調多模諧振器和可調阻抗匹配電路，并將它們組合成了一種新型的具有寬頻率和寬帶寬調節范圍且濾波性能可控的可重構帶通濾波器；2)上述的微帶線十字形可調多模諧振器具有能獨立調節的三個帶內極點，可以實現較寬的帶寬；實測中帶寬可達95%，遠遠超出了現有的電調濾波器，達到了寬帶通信的標準；同時該可調諧振器可以實現較寬的頻率調節范圍；實測中調諧范圍可達83%，高于現有的基于半導體變容二極管的其他設計；3)上述的微帶線十字形可調多模諧振器的三個帶內極點均可獨立調節，通過平衡三個極點的頻率，可以保證在不同的中心頻率和帶寬的工作狀態下，均能保持通帶內紋波均勻；4)上述的可調阻抗匹配電路可以調節可調多模諧振器與饋電網絡之間的匹配，在較大范圍內改變該濾波器的外部品質因數，從而影響了該可重構濾波器的濾波性能；本發明中所述的可重構帶通濾波器的回波損耗及帶外抑制度均可通過上述的可調阻抗匹配電路調節；實測中回波損耗可以被穩定控制在15dB左右，帶外衰減控制在18dB左右；5)上述的微帶線十字形可調多模諧振器具有能隨通帶移動的兩個帶外零點，提高了通帶的矩形系數，大大改善了可重構濾波器的選擇性；6)由于本發明中所述的可重構帶通濾波器不存在傳統結構中對能量造成較大損耗的耦合結構，故具有較小的插入損耗；實測中插入損耗在0.95^3.5dB之間；7)與同階的具有頻率帶寬調節能力的可重構濾波器相比，本可重構濾波器需要較少的控制直流電源，這是由可調多模諧振器的特性帶來的；8)與現有其他設計方案相比，由于引入了上述的十字形可調多模諧振器，本可重構濾波器結構設計更為簡潔，體積也更小。
圖1是頻率和帶寬調節范圍寬且性能可控的可重構帶通濾波器的原理圖。圖2是圖1中的十字形可調多模諧振器的原理圖。圖3a是圖2中的十字形可調多模諧振器的偶模等效電路。圖3b是圖2中的十字形可調多模諧振器的奇模等效電路。
圖4a是圖2中的十字形可調多模諧振器的極點和零點隨Ceff變化的關系圖。圖4b是圖2中的十字形可調多模諧振器的極點和零點隨C2、C3變化的關系圖。圖5a是圖1中的可重構帶通濾波器調節阻抗匹配的原理圖。圖5b是圖5a中調節阻抗匹配原理圖的等效電路。圖5c是圖1中的可重構帶通濾波器的外部品質因數與阻抗變換比Rz的關系圖。圖6a是濾波性能穩定、帶寬保持不變、中心頻率調節的傳輸特性和回波損耗曲線。圖6b是濾波性能穩定、中心頻率保持不變、帶寬調節的傳輸特性和回波損耗曲線。圖6c是中心頻率和帶寬保持不變、調節濾波性能時不同外部品質因數所對應的傳輸特性和回波損耗曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明，但本發明要求保護的范圍并不局限于下例表述的范圍。如圖1所示，一種帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器，包括上層的微帶結構，中間層介質基板和下層的接地金屬；上層微帶結構附著在中間層介質基板上表面，中間層的下表面為接地金屬；上層的微帶結構由一個輸入端口、一個輸入饋電網絡、一個輸入可調阻抗匹配電路、一個十字形可調多模諧振器、一個輸出可調阻抗匹配電路、一個輸出饋電網絡和一個輸出端口順次連接構成；十字形可調多模諧振器由相互垂直的兩條微帶線和兩端連接的四個變容二極管組成，其中水平微帶線和垂直微帶線的兩端分別連接一個變容二極管，具體為:十字形可調多模諧振器包括水平矩形微帶線2和垂直矩形微帶線3，水平微帶線2的一端連接第一變容二極管8，另一端連接第二變容二極管9 ;垂直微帶線3從水平微帶線2的中點垂直穿過，一端連接第三變容二極管11，另一端連接第四變容二極管12 ；輸入可調阻抗匹配電路包括第五變容二極管7和第一變容二極管8，所述第五變容二極管7和第一變容二極管8均與十字形可調多模諧振器的水平微帶線2相連接；輸出可調阻抗匹配電路包括第六變容二極管10和第二變容二極管9，所述第六變容二極管10和第二變容二極管9均與十字形可調多模諧振器的水平微帶線2的另一端相連接；輸入饋電網絡包括順次連接的50歐姆矩形微帶線I和第一隔直電容5，所述第一隔直電容5的另一端與第五變容二極管7相連接，輸出饋電網絡包括順次連接的50歐姆矩形微帶線4和第二隔直電容6,所述第二隔直電容6的另一端與第六變容二極管10相連接；輸入端口和輸出端口的特性阻抗均為50歐姆；所述的十字形可調多模諧振器左右鏡像對稱；輸入可調阻抗匹配電路、輸出可調阻抗匹配電路、輸入饋電網絡、輸出饋電網絡、輸入端口、輸出端口呈左右鏡像對稱分布；整個濾波器結構左右鏡像對稱；濾波器工作時，第一變容二極管8、第二變容二極管9可以等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯，其中可變電抗部分分別參與構成了輸入可調阻抗匹配電路、輸出可調阻抗匹配電路，可變電容部分參與構成了十字形可調多模諧振器；具體為:如圖5 (a)所示，第一變容二極管8等效為一個可變電抗jX和一個可變電容Crff的并聯，其中可變電抗jX參與構成了輸入可調阻抗匹配電路，可變電容Ceff參與構成了十字形可調多模諧振器；第二變容二極管9等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯，其中可變電抗部分參與構成了輸出可調阻抗匹配電路，可變電容部分參與構成了十字形可調多模諧振器。上述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器中，所述變容二極管的空置端均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連。上述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器中，所述的十字形可調多模諧振器中的水平微帶線2長4 50mm,寬0.2 2mm ;垂直微帶線3寬0.2 3mm,處于水平微帶線上面的部分長2 30mm，處于水平微帶線下面的部分長I 20mm。所述的饋電網絡中兩個隔直電容的容值相同且都在6pF以上。
上述介質基板的介電常數ε ^為2 10，高度為0.2 1mm。由于上述的十字形可調微帶多模諧振器是對稱結構，如圖2所示，其中Ceff表示第一變容二極管8 (或第二變容二極管9)參與構成該十字形可調多模諧振器的部分電容值；因此可以利用奇偶模等效電路的方法計算其諧振頻率。圖3a為十字形可調多模諧振器的偶模等效電路。為了便于分析，選擇Z1=2Z2，，對應的兩個偶模諧振頻率fel，f；2由下式解出:
權利要求
1.一種帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器，其特征在于，包括上層的微帶結構，中間層介質基板和下層的接地金屬；上層微帶結構附著在中間層介質基板上表面，中間層的下表面為接地金屬； 上層的微帶結構由一個輸入端口、一個輸入饋電網絡、一個輸入可調阻抗匹配電路、一個十字形可調多模諧振器、一個輸出可調阻抗匹配電路、一個輸出饋電網絡和一個輸出端口順次連接構成；十字形可調多模諧振器由相互垂直的兩條微帶線和兩端連接的四個變容二極管組成，其中水平微帶線和垂直微帶線的兩端分別連接一個變容二極管，具體為:十字形可調多模諧振器包括水平矩形微帶線[2]和垂直矩形微帶線[3]，水平微帶線[2]的一端連接第一變容二極管[8]，另一端連接第二變容二極管[9];垂直微帶線[3]從水平微帶線[2]的中點垂直穿過，一端連接第三變容二極管[11]，另一端連接第四變容二極管[12]； 輸入可調阻抗匹配電路包括第五變容二極管[7]和第一變容二極管[8]，所述第五變容二極管[7]和第一變容二極管[8]均與十字形可調多模諧振器的水平微帶線[2]相連接；輸出可調阻抗匹配電路包括第六變容二極管[10]和第二變容二極管[9]，所述第六變容二極管[10]和第二變容二極管[9]均與十字形可調多模諧振器的水平微帶線[2]的另一端相連接；輸入饋電網絡包括順次連接的50歐姆矩形微帶線[I]和第一隔直電容[5]，所述第一隔直電容[5]的另一端與第五變容二極管[7]相連接，輸出饋電網絡包括順次連接的50歐姆矩形微帶線[4]和第二隔直電容[6]，所述第二隔直電容[6]的另一端與第六變容二極管[10]相連接；輸入端口和輸出端口的特性阻抗均為50歐姆；所述的十字形可調多模諧振器左右鏡像對稱；輸入可調阻抗匹配電路、輸出可調阻抗匹配電路、輸入饋電網絡、輸出饋電網絡、輸入端口、輸出端口呈左右鏡像對稱分布；整個濾波器結構左右鏡像對稱；濾波器工作時，第一變容二極管[8]、第二變容二極管[9]可以等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯，其中可變電抗部分分別參與構成了輸入可調阻抗匹配電路、輸出可調阻抗匹配電路，可變電容部分參與構成了十字形可調多模諧振器。
2.根據權利要求1所述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器，其特征在于，上述變容二極管的空置端均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連。
3.根據權利要求1所述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器，其特征在于，所述的十字形可調多模諧振器中的水平微帶線[2]長4 50mm,寬0.2 2mm ;垂直微帶線[3]寬0.2 3mm，處于水平微帶線上面的部分長2 30mm，處于水平微帶線下面的部分長I 20mm，所述的饋電網絡中兩個隔直電容的容值相同且都在6pF以上。
4.根據權利要求1、2或3所述的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器，其特征在于:介質基板的介電常數ε r為2 10,高度為0.2 1mm。
全文摘要
本發明涉及一種新型的帶寬調節范圍寬且性能可控的射頻可重構帶通濾波器。該可重構濾波器包括上層微帶結構，中間層介質基板，和下層接地金屬；上層微帶結構由一個輸入端口、一個輸入饋電網絡、一個輸入可調阻抗匹配電路、一個十字形可調多模諧振器、一個輸出可調阻抗匹配電路、一個輸出饋電網絡和一個輸出端口依次連接構成。其中，十字形可調多模諧振器由相互垂直的兩條微帶線和端接的四個變容二極管組成；輸入、輸出可調阻抗匹配電路均由一個串聯變容二極管和一個并聯變容二極管連接組成。該可重構濾波器具有中心頻率和帶寬調節范圍寬、濾波性能可控等方面的優勢，能重構為不同中心頻率的寬帶或者窄帶帶通濾波器，可用于可重構射頻前端。
文檔編號H01P7/08GK103117426SQ20131003124
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者車文荃, 毛金榮, 顧黎明, 馮文杰, 王晴, 李飛, 周家根, 馬亞林 申請人:南京理工大學