專利名稱:帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種新型的基于變?nèi)荻O管的射頻電調(diào)帶通濾波器,具體涉及到一種帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器。
背景技術(shù):
[0002]電調(diào)濾波器是跳擴頻通信技術(shù)、抗干擾雷達(dá)、動態(tài)頻率分配技術(shù)、多功能接收機、雜散發(fā)射測量等方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。自二戰(zhàn)以來,電調(diào)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(jīng)有了一些研究報道,多種結(jié)構(gòu)的電調(diào)濾波器已經(jīng)被提出。然而近年來雷達(dá)和通信技術(shù)的快速發(fā)展對電調(diào)濾波器提出了更高的性能要求。[0003]現(xiàn)代超寬帶雷達(dá)和無線通信要求采用高性能的可重構(gòu)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(biāo)準(zhǔn),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(diào)節(jié)能力的可重構(gòu)射頻前端。具有頻率和帶寬調(diào)節(jié)能力的可重構(gòu)濾波器(fully tunable filter)是可重構(gòu)射頻前端的重要組成部分。該種濾波器是電調(diào)濾波器研究的前沿和趨勢之一,目前國際上只有少量文獻(xiàn)報道(不超過10篇,且基本均發(fā)表在Trans上),但普遍存在以下問題:[0004](I)帶寬調(diào)節(jié)范圍較小,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題,具有頻率和帶寬調(diào)節(jié)能力的可重構(gòu)濾波器都只能實現(xiàn)最大不超過15%的帶寬。而目前寬帶通信技術(shù)愈發(fā)成熟,并已經(jīng)進(jìn)入實用階段。雖然寬帶濾波器的研究已經(jīng)進(jìn)行多年,并取得了豐碩的成果,然而寬帶可重構(gòu)濾波器的研制方面國內(nèi)外都是極其罕見。顯然最大15%的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代寬帶通信系統(tǒng)的需求。[0005](2)在中心頻率或者帶寬變化時,不能保持穩(wěn)定的濾波性能,主要表現(xiàn)在回波損耗時大時小,通帶紋波不均勻等方面,影響了系統(tǒng)整體響應(yīng)的穩(wěn)定性。本實用新型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。[0006]針對帶寬調(diào)節(jié)范圍小的問題,雖有文獻(xiàn)研發(fā)了一些寬帶的可調(diào)節(jié)帶寬的電調(diào)濾波器,然而往往不能自由控制其中心頻率,因此在實際應(yīng)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(yīng)用到寬帶濾波器的設(shè)計中。但是到目前為止還沒有關(guān)于如何將多模諧振器應(yīng)用于頻率和帶寬都可調(diào)的可重構(gòu)濾波器中的報道。[0007]針對中心頻率和帶寬調(diào)節(jié)時保持穩(wěn)定濾波性能的問題,到目前為止也沒有任何關(guān)于如何在中心頻率和帶寬調(diào)節(jié)時穩(wěn)定或控制濾波性能的研究報道。[0008]除了上述兩個普遍問題外,部分具有頻率和帶寬調(diào)節(jié)能力的可重構(gòu)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。[0009]總之,目前的可重構(gòu)濾波器的設(shè)計中還需要解決帶寬調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)時性能不穩(wěn)定等方面的問題。實用新型內(nèi)容[0010]本實用新型的目的在于提供一種基于微帶線可調(diào)多模諧振器和可調(diào)阻抗匹配電路的可重構(gòu)帶通濾波器,該可重構(gòu)帶通濾波器可以實現(xiàn)高達(dá)83%的頻率調(diào)節(jié)范圍和95%的帶寬,同時在各個工作頻率和帶寬狀態(tài)下都可以調(diào)節(jié)控制其濾波性能。[0011]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器,包括上層的微帶結(jié)構(gòu),中間層介質(zhì)基板和下層的接地金屬;上層微帶結(jié)構(gòu)附著在中間層介質(zhì)基板上表面,中間層的下表面為接地金屬;上層的微帶結(jié)構(gòu)由一個輸入端口、一個輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、一個輸入可調(diào)阻抗匹配電路、一個十字形可調(diào)多模諧振器、一個輸出可調(diào)阻抗匹配電路、一個輸出饋電網(wǎng)絡(luò)和一個輸出端口順次連接構(gòu)成;十字形可調(diào)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?nèi)荻O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?nèi)荻O管,具體為:十字形可調(diào)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?nèi)荻O管,另一端連接第二變?nèi)荻O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?nèi)荻O管,另一端連接第四變?nèi)荻O管;[0012]輸入可調(diào)阻抗匹配電路包括第五變?nèi)荻O管和第一變?nèi)荻O管,所述第五變?nèi)荻O管和第一變?nèi)荻O管均與十字形可調(diào)多模諧振器的水平微帶線相連接;輸出可調(diào)阻抗匹配電路包括第六變?nèi)荻O管和第二變?nèi)荻O管,所述第六變?nèi)荻O管和第二變?nèi)荻O管均與十字形可調(diào)多模諧振器的水平微帶線的另一端相連接;輸入饋電網(wǎng)絡(luò)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?nèi)荻O管相連接,輸出饋電網(wǎng)絡(luò)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?nèi)荻O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(diào)多模諧振器左右鏡像對稱;輸入可調(diào)阻抗匹配電路、輸出可調(diào)阻抗匹配電路、輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、輸出饋電網(wǎng)絡(luò)、輸入端口、輸出端口呈左右鏡像對稱分布;整個濾波器結(jié)構(gòu)左右鏡像對稱;濾波器工作時,第一變?nèi)荻O管、第二變?nèi)荻O管可以等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯(lián),其中可變電抗部分分別參與構(gòu)成了輸入可調(diào)阻抗匹配電路、輸出可調(diào)阻抗匹配電路,可變電容部分參與構(gòu)成了十字形可調(diào)多模諧振器。[0013]上述的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器中,所述變?nèi)荻O管的空置端均穿過中間層介質(zhì)基板與下層接地金屬相連。[0014]為了進(jìn)一步實現(xiàn)本實用新型的目的,上述的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器中,所述的十字形可調(diào)多模諧振器中的水平微帶線長4 50_,寬0.2 2mm ;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(wǎng)絡(luò)中兩個隔直電容的容值相同且都在6pF以上。[0015]上述介質(zhì)基板的介電常數(shù)L為2 10,高度為0.2 1mm。[0016]本實用新型設(shè)計的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器中,所述的十字型可調(diào)多模諧振器可以實現(xiàn)較大的頻率和帶寬調(diào)節(jié)范圍,解決了當(dāng)前可重構(gòu)濾波器帶寬有限的問題;所述的十字型可調(diào)多模諧振器同時具有三個獨立調(diào)節(jié)的極點,可以保證通帶內(nèi)均勻的紋波,降低插入損耗;所述的可調(diào)阻抗匹配電路能在調(diào)節(jié)過程中保證可調(diào)多模諧振器與饋電網(wǎng)絡(luò)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。[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比,其顯著優(yōu)點為:I)本實用新型設(shè)計了微帶線十字形可調(diào)多模諧振器和可調(diào)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(diào)節(jié)范圍且濾波性能可控的可重構(gòu)帶通濾波器;2)上述的微帶線十字形可調(diào)多模諧振器具有能獨立調(diào)節(jié)的三個帶內(nèi)極點,可以實現(xiàn)較寬的帶寬;實測中帶寬可達(dá)95%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有的電調(diào)濾波器,達(dá)到了寬帶通信的標(biāo)準(zhǔn);同時該可調(diào)諧振器可以實現(xiàn)較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍;實測中調(diào)諧范圍可達(dá)83%,高于現(xiàn)有的基于半導(dǎo)體變?nèi)荻O管的其他設(shè)計;3)上述的微帶線十字形可調(diào)多模諧振器的三個帶內(nèi)極點均可獨立調(diào)節(jié),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(tài)下,均能保持通帶內(nèi)紋波均勻;4)上述的可調(diào)阻抗匹配電路可以調(diào)節(jié)可調(diào)多模諧振器與饋電網(wǎng)絡(luò)之間的匹配,在較大范圍內(nèi)改變該濾波器的外部品質(zhì)因數(shù),從而影響了該可重構(gòu)濾波器的濾波性能;本實用新型中所述的可重構(gòu)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(diào)阻抗匹配電路調(diào)節(jié);實測中回波損耗可以被穩(wěn)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(diào)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(shù),大大改善了可重構(gòu)濾波器的選擇性;6)由于本實用新型中所述的可重構(gòu)帶通濾波器不存在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中對能量造成較大損耗的耦合結(jié)構(gòu),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(diào)節(jié)能力的可重構(gòu)濾波器相比,本可重構(gòu)濾波器需要較少的控制直流電源,這是由可調(diào)多模諧振器的特性帶來的;8)與現(xiàn)有其他設(shè)計方案相比,由于引入了上述的十字形可調(diào)多模諧振器,本可重構(gòu)濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計更為簡潔,體積也更小。
[0018]圖1是頻率和帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的可重構(gòu)帶通濾波器的原理圖。[0019]圖2是圖1中的十字形可調(diào)多模諧振器的原理圖。[0020]圖3a是圖2中的十字形可調(diào)多模諧振器的偶模等效電路。[0021]圖3b是圖2中的十字形可調(diào)多模諧振器的奇模等效電路。[0022]圖4a是圖2中的十字形可調(diào)多模諧振器的極點和零點隨Ceff變化的關(guān)系圖。[0023]圖4b是圖2中的十字形可調(diào)多模諧振器的極點和零點隨C2、C3變化的關(guān)系圖。[0024]圖5a是圖1中的可重構(gòu)帶通濾波器調(diào)節(jié)阻抗匹配的原理圖。[0025]圖5b是圖5a中調(diào)節(jié)阻抗匹配原理圖的等效電路。[0026]圖5c是圖1中的可重構(gòu)帶通濾波器的外部品質(zhì)因數(shù)與阻抗變換比Rz的關(guān)系圖。[0027]圖6a是濾波性能穩(wěn)定、`帶寬保持不變、中心頻率調(diào)節(jié)的傳輸特性和回波損耗曲線。[0028]圖6b是濾波性能穩(wěn)定、中心頻率保持不變、帶寬調(diào)節(jié)的傳輸特性和回波損耗曲線。[0029]圖6c是中心頻率和帶寬保持不變、調(diào)節(jié)濾波性能時不同外部品質(zhì)因數(shù)所對應(yīng)的傳輸特性和回波損耗曲線。
具體實施方式
[0030]
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明,但本實用新型要求保護(hù)的范圍并不局限于下例表述的范圍。[0031]如圖1所示,一種帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器,包括上層的微帶結(jié)構(gòu),中間層介質(zhì)基板和下層的接地金屬;上層微帶結(jié)構(gòu)附著在中間層介質(zhì)基板上表面,中間層的下表面為接地金屬;[0032]上層的微帶結(jié)構(gòu)由一個輸入端口、一個輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、一個輸入可調(diào)阻抗匹配電路、一個十字形可調(diào)多模諧振器、一個輸出可調(diào)阻抗匹配電路、一個輸出饋電網(wǎng)絡(luò)和一個輸出端口順次連接構(gòu)成;十字形可調(diào)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?nèi)荻O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?nèi)荻O管,具體為:十字形可調(diào)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?nèi)荻O管8,另一端連接第二變?nèi)荻O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?nèi)荻O管11,另一端連接第四變?nèi)荻O管12 ;[0033]輸入可調(diào)阻抗匹配電路包括第五變?nèi)荻O管7和第一變?nèi)荻O管8,所述第五變?nèi)荻O管7和第一變?nèi)荻O管8均與十字形可調(diào)多模諧振器的水平微帶線2相連接;輸出可調(diào)阻抗匹配電路包括第六變?nèi)荻O管10和第二變?nèi)荻O管9,所述第六變?nèi)荻O管10和第二變?nèi)荻O管9均與十字形可調(diào)多模諧振器的水平微帶線2的另一端相連接;輸入饋電網(wǎng)絡(luò)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?nèi)荻O管7相連接,輸出饋電網(wǎng)絡(luò)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?nèi)荻O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(diào)多模諧振器左右鏡像對稱;輸入可調(diào)阻抗匹配電路、輸出可調(diào)阻抗匹配電路、輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、輸出饋電網(wǎng)絡(luò)、輸入端口、輸出端口呈左右鏡像對稱分布;整個濾波器結(jié)構(gòu)左右鏡像對稱;濾波器工作時,第一變?nèi)荻O管8、第二變?nèi)荻O管9可以等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯(lián),其中可變電抗部分分別參與構(gòu)成了輸入可調(diào)阻抗匹配電路、輸出可調(diào)阻抗匹配電路,可變電容部分參與構(gòu)成了十字形可調(diào)多模諧振器;具體為:如圖5 (a)所示,第一變?nèi)荻O管8等效為一個可變電抗jX和一個可變電容Crff的并聯(lián),其中可變電抗iX參與構(gòu)成了輸入可調(diào)阻抗匹配電路,可變電容Ceff參與構(gòu)成了十字形可調(diào)多模諧振器;第二變?nèi)荻O管9等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯(lián),其中可變電抗部分參與構(gòu)成了輸出可調(diào)阻抗匹配電路,可變電容部分參與構(gòu)成了十字形可調(diào)多模諧振器。[0034]上述的帶寬調(diào)節(jié)范 圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器中,所述變?nèi)荻O管的空置端均穿過中間層介質(zhì)基板與下層接地金屬相連。[0035]上述的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器中,所述的十字形可調(diào)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(wǎng)絡(luò)中兩個隔直電容的容值相同且都在6pF以上。[0036]上述介質(zhì)基板的介電常數(shù)e ^為2 10,高度為0.2 1mm。[0037]由于上述的十字形可調(diào)微帶多模諧振器是對稱結(jié)構(gòu),如圖2所示,其中Ceff表示第一變?nèi)荻O管8 (或第二變?nèi)荻O管9)參與構(gòu)成該十字形可調(diào)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(diào)多模諧振器的偶模等效電路。為了便于分析,選擇Z1=2Z2,,對應(yīng)的兩個偶模諧振頻率fel,fe2可由下式解出:[0038]
權(quán)利要求1.一種帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器,其特征在于,包括上層的微帶結(jié)構(gòu),中間層介質(zhì)基板和下層的接地金屬;上層微帶結(jié)構(gòu)附著在中間層介質(zhì)基板上表面,中間層的下表面為接地金屬;上層的微帶結(jié)構(gòu)由一個輸入端口、一個輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、一個輸入可調(diào)阻抗匹配電路、一個十字形可調(diào)多模諧振器、一個輸出可調(diào)阻抗匹配電路、一個輸出饋電網(wǎng)絡(luò)和一個輸出端口順次連接構(gòu)成;十字形可調(diào)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?nèi)荻O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?nèi)荻O管,具體為:十字形可調(diào)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?nèi)荻O管(8),另一端連接第二變?nèi)荻O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?nèi)荻O管(11),另一端連接第四變?nèi)荻O管(12); 輸入可調(diào)阻抗匹配電路包括第五變?nèi)荻O管(7)和第一變?nèi)荻O管(8),所述第五變?nèi)荻O管(7)和第一變?nèi)荻O管(8)均與十字形可調(diào)多模諧振器的水平微帶線(2)相連接;輸出可調(diào)阻抗匹配電路包括第六變?nèi)荻O管(10)和第二變?nèi)荻O管(9),所述第六變?nèi)荻O管(10)和第二變?nèi)荻O 管(9)均與十字形可調(diào)多模諧振器的水平微帶線(2)的另一端相連接;輸入饋電網(wǎng)絡(luò)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?nèi)荻O管(7)相連接,輸出饋電網(wǎng)絡(luò)包括順次連接的50歐姆矩形微帶線(4)和第二隔直電容¢),所述第二隔直電容¢)的另一端與第六變?nèi)荻O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(diào)多模諧振器左右鏡像對稱;輸入可調(diào)阻抗匹配電路、輸出可調(diào)阻抗匹配電路、輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、輸出饋電網(wǎng)絡(luò)、輸入端口、輸出端口呈左右鏡像對稱分布;整個濾波器結(jié)構(gòu)左右鏡像對稱;濾波器工作時,第一變?nèi)荻O管(8)、第二變?nèi)荻O管(9)可以等效為一個可變電抗和一個可變電容的并聯(lián),其中可變電抗部分分別參與構(gòu)成了輸入可調(diào)阻抗匹配電路、輸出可調(diào)阻抗匹配電路,可變電容部分參與構(gòu)成了十字形可調(diào)多模諧振器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器,其特征在于,上述變?nèi)荻O管的空置端均穿過中間層介質(zhì)基板與下層接地金屬相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器,其特征在于,所述的十字形可調(diào)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(wǎng)絡(luò)中兩個隔直電容的容值相同且都在6pF以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器,其特征在于:介質(zhì)基板的介電常數(shù)e 1 為2 10,高度為0.2 1mm。
專利摘要本實用新型涉及一種新型的帶寬調(diào)節(jié)范圍寬且性能可控的射頻可重構(gòu)帶通濾波器。該可重構(gòu)濾波器包括上層微帶結(jié)構(gòu),中間層介質(zhì)基板,和下層接地金屬;上層微帶結(jié)構(gòu)由一個輸入端口、一個輸入饋電網(wǎng)絡(luò)、一個輸入可調(diào)阻抗匹配電路、一個十字形可調(diào)多模諧振器、一個輸出可調(diào)阻抗匹配電路、一個輸出饋電網(wǎng)絡(luò)和一個輸出端口依次連接構(gòu)成。其中,十字形可調(diào)多模諧振器由相互垂直的兩條微帶線和端接的四個變?nèi)荻O管組成;輸入、輸出可調(diào)阻抗匹配電路均由一個串聯(lián)變?nèi)荻O管和一個并聯(lián)變?nèi)荻O管連接組成。該可重構(gòu)濾波器具有中心頻率和帶寬調(diào)節(jié)范圍寬、濾波性能可控等方面的優(yōu)勢,能重構(gòu)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(gòu)射頻前端。
文檔編號H01P7/08GK203056060SQ201320043998
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)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(xué)