一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶寬可控的平面可調帶通?帶阻濾波器，主要由輸入端口port1、輸出端口port2、兩個二分之一波長的開路諧振器，變容二極管，PIN二極管以及偏置直流電路等組成。通過控制PIN二極管可以便利地調節帶通?帶阻特性的轉換。通過調節變容管可以調節濾波器的中心頻率。同時，通過調節諧振器兩端變容管的電容值之比可以實現帶寬可控的功能。本發明具有可在帶通濾波器與帶阻濾波器進行切換、中心頻率可控、帶寬可控、結構簡單、尺寸小、成本低等優點。
【專利說明】
一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器
技術領域
[0001] 本發明涉及高頻器件的技術領域，尤其是指一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻 濾波器。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著無線電子產品在人民生活中的普及，小型化、成本低已經成為了電子 產品的趨勢。另一方面，隨著電子信息的迅猛發展，日趨緊張的頻譜資源更加匱乏，為提高 通信容量及降低相鄰信道間信號串擾，對濾波器的選擇性及集成化等提出了更高的要求。 而微帶濾波器則滿足了這一些要求。
[0003] 可調濾波器在減小系統體積、復雜性、成本方面起著重要的作用，因為其能在一個 結構上實現多個頻率范圍。而可調濾波器可分為以下三個種類：（1)頻率可調；（2)帶寬可調 而頻率固定；（3)帶寬和頻率都可調。
[0004] 但隨著電磁環境的越來越復雜，寬帶無線系統經常需要接收處于動態干擾環境下 所需的信號，這時可切換帶通-帶阻濾波器就具有重大的現實意義。因為對于一個高功率干 擾電磁環境，帶阻模式可以抑制所需信號附近的大功率干擾，而帶通模式可以用在低功率 干擾模式下。所以有必要對微帶可切換帶通-帶阻濾波器進行進一步的研究。
[0005] 2014年3月，Young-Ho Cho和Gabriel M.Rebeiz在本技術領域頂級期刊〃IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES〃上發表題為〃Two-and Four-Pole Tunable 0.7-1.1-GHz Bandpass-to-Bandstop Filters With Bandwidth Control〃的文 章，該文章中提及的濾波器利用RF MEMS開關實現帶通-帶阻特性的轉換，并且可以實現中 心頻率的可調，同時，其帶寬也可控。
[0006] 2013年4月，William J.Chappell等在本技術領域頂級期刊〃IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES"發表了 "New Bandstop Filter Circuit Topology and Its Application to Design of a Bandstop-t〇-Bandpass Switchable Filter"，該文章中提及的濾波器也是通過RF MEMS開關實現帶通濾波器和帶阻濾波器的切 換，但是其帶寬不能可控。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種帶寬可控的平面可調帶通-帶 阻濾波器，能靈活控制帶通濾波器與帶阻濾波器的切換，帶通模式和帶阻模式的中心頻率 可以很方便的調節，且帶通模式的帶寬可控，能夠滿足小型化、低成本、特性好的設計要求。
[0008] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種帶寬可控的平面可調帶通-帶 阻濾波器，包括輸入端口、輸出端口、具有二分之一波長的第一開路諧振器、具有二分之一 波長的第二開路諧振器、第一 PIN二極管、第一直流電源、第二直流電源、第三直流電源、第 一電阻、第二電阻、第三電阻、第一控制直流電壓、第二控制直流電壓、第三控制直流電壓、 第四控制直流電壓，該輸入端口與輸出端口對稱設置，該第一開路諧振器與第二開路諧振 器對稱設置;所述第一開路諧振器由第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一變容 管、第二變容管、第二PIN二極管以及依次相接的第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第 四微帶線、第五微帶線、第六微帶線、第七微帶線、第八微帶線構成，所述第二開路諧振器由 第五電容、第六電容、第七電容、第八電容、第三變容管、第四變容管、第三PIN二極管以及依 次相接的第九微帶線、第十微帶線、第十一微帶線、第十二微帶線、第十三微帶線、第十四微 帶線、第十五微帶線、第十六微帶線構成;所述輸入端口連接于第三微帶線，所述第一變容 管與第一微帶線連接，所述第一控制直流電壓經第一高頻扼流圈連接于第一微帶線，所述 第一微帶線與第二微帶線之間通過第一電容連接，所述第三微帶線與第四微帶線之間通過 第二電容連接，所述第一直流電源依次經第一電阻、第二高頻扼流圈連接于第四微帶線，所 述第四微帶線與第十三微帶線之間連接有第一 PIN二極管，所述第五微帶線與第六微帶線 之間通過第三電容連接，所述第二直流電源依次經第二電阻、第三高頻扼流圈連接于第六 微帶線，所述第六微帶線與第七微帶線之間通過第二PIN二極管連接，所述第七微帶線連接 有第四高頻扼流圈，所述第七微帶線與第八微帶線之間通過第四電容連接，所述第二變容 管與第八微帶線連接，所述第二控制直流電壓經第五高頻扼流圈連接于第八微帶線;所述 第三變容管與第九微帶線連接，所述第四控制直流電壓經第七高頻扼流圈連接于第九微帶 線，所述第九微帶線與第十微帶線之間通過第五電容連接，所述第十微帶線連接有第八高 頻扼流圈，所述第十微帶線與第十一微帶線之間通過第三PIN二極管連接，所述第三直流電 源依次經第三電阻、第九高頻扼流圈連接于第十一微帶線，所述第十一微帶線與第十二微 帶線之間通過第六電容連接，第十三微帶線與第十四微帶線之間通過第七電容連接，所述 第十三微帶線連接有第十高頻扼流圈，所述輸出端口與第十四微帶線連接，所述第十五微 帶線與第十六微帶線之間通過第八電容連接，所述第三控制直流電壓經第六高頻扼流圈連 接于第十六微帶線，所述第四變容管與第十六微帶線連接。
[0009]所述第一開路諧振器和第二開路諧振器的等效長度對應于帶通濾波器工作頻率 對應的波長的二分之一。
[0010]所述第一變容管、第一微帶線、第一電容、第二微帶線構成具有四分之一波長的開 路諧振器，所述第四變容管、十六微帶線、第八電容、十五微帶線構成具有四分之一波長的 開路諧振器，其等效長度為帶阻濾波器工作頻率對應的波長的四分之一。
[0011]所述輸入端口由第十七微帶線和第十八微帶線構成，所述第十八微帶線的一端與 第十七微帶線連接，另一端與第三微帶線連接。
[0012]所述輸出端口由第十九微帶線和第二十微帶線構成，所述第十九微帶線的一端與 第二十微帶線連接，另一端與第十四微帶線連接。
[0013]所述輸入端口、輸出端口均為50歐姆的匹配阻抗。
[0014] 所述第一電阻、第二電阻、第三電阻均為1 Ok阻值的電阻。
[0015] 本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：
[0016] 1、本發明在濾波器中使用PIN二極管，可以靈活控制濾波器在帶通模式和帶阻模 式之間進行切換。
[0017] 2、帶通模式中心頻率可以很方便地調節，其可調節范圍為805MHZ-1032MHZ，且其 帶寬可控，在900MHz時，插入損耗| S211的3dB測試帶寬大小為92-166MHZ;在1000MHz時，插入 損耗I S211的3dB測試帶寬大小為52-85MHZ。
[0018] 3、帶阻模式中心頻率可以很方便地大范圍調節，其可調節范圍為760-1228MHz。
[0019] 4、由于濾波器為微帶結構，體積小、重量輕、成本低、適合工業批量生產，所以濾波 器具備結構簡單、生產成本低的優點。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明的平面可調帶通-帶阻濾波器制作在雙面覆銅微帶板上的結構示意 圖。
[0021] 圖2為圖1所示濾波器的原理圖。
[0022] 圖3a為ADS(Advanced Design System)仿真下帶通濾波器的親合系數曲線變化 圖。
[0023]圖3b為ADS(Advanced Design System)仿真下帶通濾波器的外部品質因素曲線變 化圖。
[0024]圖4為本發明所使用的變容二極管的ADS模型。
[0025] 圖5a為帶通濾波器的回波損耗（|Sn| )仿真與測試結果。
[0026] 圖5b為帶通濾波器的插入損耗（| S211 )仿真與測試結果。
[0027]圖6a為帶阻濾波器的回波損耗（|Sn| )仿真與測試結果。
[0028]圖6b為帶阻濾波器的插入損耗（| S211 )仿真與測試結果。
[0029] 圖7a為帶通模式下中心頻率在900MHz的帶寬可控測試結果。
[0030] 圖7b為帶通模式下中心頻率在1000MHz的帶寬可控測試結果。
【具體實施方式】
[0031]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0032] 本發明所述帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器的核心內容是通過控制PIN二 極管兩端電壓，控制其處于導通或者隔離狀態，進行帶通濾波器和帶阻濾波器傳輸特性的 轉換，帶通濾波器主要由兩個二分之一開路波長諧振器組成；帶阻濾波器主要由兩個典型 的四分之一開路諧振器組成。通過控制各個變容管兩端的電壓實現中心頻率的調節，而通 過調節二分之一波長開路枝節兩端變容管的電容值之比控制帶寬。
[0033] 如圖1所示，所述的平面可調帶通-帶阻濾波器以印刷電路板的方式制作在雙面覆 銅微帶板上，微帶板的另外一面是覆銅接地板，該平面可調帶通-帶阻濾波器包括輸入端口 portl、輸出端口 port2、具有二分之一波長的第一開路諧振器、具有二分之一波長的第二開 路諧振器、第一 PIN二極管24、第一直流電源23、第二直流電源26、第三直流電源52、第一電 阻22、第二電阻25、第三電阻53、第一控制直流電壓20、第二控制直流電壓30、第三控制直流 電壓46、第四控制直流電壓48,該輸入端口 portl與輸出端口 port2對稱設置，該第一開路諧 振器與第二開路諧振器對稱設置;所述第一開路諧振器由第一電容6、第二電容9、第三電容 12、第四電容16、第一變容管4、第二變容管18、第二PIN二極管14以及依次相接的第一微帶 線5、第二微帶線7、第三微帶線8、第四微帶線10、第五微帶線11、第六微帶線13、第七微帶線 15、第八微帶線17構成，所述第二開路諧振器由第五電容33、第六電容37、第七電容40、第八 電容43、第三變容管31、第四變容管45、第三PIN二極管35以及依次相接的第九微帶線32、第 十微帶線34、第十一微帶線36、第十二微帶線38、第十三微帶線39、第十四微帶線41、第十五 微帶線42、第十六微帶線44構成;所述輸入端口 portl連接于第三微帶線8,所述第一變容管 4與第一微帶線5連接，所述第一控制直流電壓20經第一高頻扼流圈19連接于第一微帶線5， 所述第一微帶線5與第二微帶線7之間通過第一電容6連接，所述第三微帶線8與第四微帶線 10之間通過第二電容9連接，所述第一直流電源23依次經第一電阻22、第二高頻扼流圈21連 接于第四微帶線10,所述第四微帶線10與第十三微帶線39之間連接有第一 PIN二極管24,所 述第五微帶線11與第六微帶線13之間通過第三電容12連接，所述第二直流電源26依次經第 二電阻25、第三高頻扼流圈27連接于第六微帶線13,所述第六微帶線13與第七微帶線15之 間通過第二PIN二極管14連接，所述第七微帶線15連接有第四高頻扼流圈28,所述第七微帶 線15與第八微帶線17之間通過第四電容16連接，所述第二變容管18與第八微帶線17連接， 所述第二控制直流電壓30經第五高頻扼流圈29連接于第八微帶線17;所述第三變容管31與 第九微帶線32連接，所述第四控制直流電壓48經第七高頻扼流圈49連接于第九微帶線32， 所述第九微帶線32與第十微帶線34之間通過第五電容33連接，所述第十微帶線34連接有第 八高頻扼流圈50,所述第十微帶線34與第十一微帶線36之間通過第三PIN二極管35連接，所 述第三直流電源52依次經第三電阻53、第九高頻扼流圈51連接于第^^一微帶線36,所述第 十一微帶線36與第十二微帶線38之間通過第六電容37連接，第十三微帶線39與第十四微帶 線41之間通過第七電容40連接，所述第十三微帶線39連接有第十高頻扼流圈54,所述輸出 端口 port2與第十四微帶線41連接，所述第十五微帶線42與第十六微帶線44之間通過第八 電容43連接，所述第三控制直流電壓46經第六高頻扼流圈47連接于第十六微帶線44,所述 第四變容管45與第十六微帶線44連接。所述輸入端口 portl由第十七微帶線2和第十八微帶 線3構成，所述第十八微帶線3的一端與第十七微帶線2連接，另一端與第三微帶線8連接。所 述輸出端口 P〇rt2由第十九微帶線55和第二十微帶線1構成，所述第十九微帶線55的一端與 第二十微帶線1連接，另一端與第十四微帶線41連接。所述輸入端口 portl、輸出端口 port2 均為50歐姆的匹配阻抗。所述第一電阻22、第二電阻25、第三電阻53均為10k阻值的電阻，用 于限制PIN管上的電流大小以保護PIN二極管不被燒壞。可以通過控制PIN二極管的偏置直 流電源控制其兩端電壓進而控制其開閉狀態，當其兩端導通時，開關處于閉合狀態，當其兩 端壓降為零時，PIN二極管處于隔離狀態，故當第二直流電源26和第三直流電源52的電壓等 于5V且第一直流電源23等于0V時，濾波器處于帶通模式，當第二直流電源26和第三直流電 源52的電壓等于0V且第一直流電源23等于5V時，濾波器處于帶阻模式，此時第一變容管4、 第一微帶線5、第一電容6、第二微帶線7和第十五微帶線42、第八電容43、第十六微帶線44、 第四變容管45構成帶阻濾波器的兩個四分之一波長開路諧振器。第一控制直流電壓20、第 二控制直流電壓30、第三控制直流電壓46、第四控制直流電壓48為變容管的控制直流電壓， 通過改變控制直流電壓改變變容管的容值從而改變諧振器的諧振頻率，進而實現該濾波器 的可調特性，進一步，通過控制第一控制直流電壓20、第二控制直流電壓30、第三控制直流 電壓46、第四控制直流電壓48的電壓大小，控制第一變容管4與第二變容管18,第四變容管 45與第三變容管31的容值比的大小，從而實現在帶通模式下帶寬可控的功能。第一電容6、 第二電容9、第三電容12、第四電容16、第五電容33、第六電容37、第七電容40、第八電容43都 為隔直電容，隔離直流電壓直接的互相干擾或者影響端口外的電路。第一高頻扼流圈19、第 二高頻扼流圈21、第三高頻扼流圈27、第四高頻扼流圈28、第五高頻扼流圈29、第六高頻扼 流圈47、第七高頻扼流圈49、第八高頻扼流圈50、第九高頻扼流圈51、第十高頻扼流圈54用
[0035] 于防止射頻信號對直流電源的影響。[0034] 參見圖2，由圖2可以知道從端口看進去的總奇模輸入阻抗和偶模輸入阻抗為
(1)[0036] 其中vP為相速度。為分別從點A看去的奇模輸入阻抗和偶模輸入阻抗。故
- (2)[0038] 其中Y ' l。, (5為分別從點B看去的奇模輸入阻抗和偶模輸入阻抗。故
[0037]
[0039] (3)
[0040] 由諧振條件可以得到
[0041] Im(Yin-〇) = Im(Yin-e) =0 (4)
[0042] 由公式（1)-(4)可以得到帶通濾波器的中心頻率可以通過調節CvjPCv2進行調節。 [0043] 而通過ADS仿真可以得到帶通濾波器的耦合系數(k)和外部品質因素（Qe)可以通 過調節Cv2/C vi進行控制如圖3a和313所示。
[0044]圖3a和3b通過仿真得到不同Cv2/Cvl下的：（a)耦合系數（k)和（b)外部品質因素 (Qe)。故通過調節第一控制直流電壓20、第二控制直流電壓30、第三控制直流電壓46、第四 控制直流電壓48就可以得到頻率可調，帶寬可控的帶通濾波器。
[0045]圖4是使用的變容二極管的ADS模型，本實施例具體使用的是31^ 1405((^ = 2.67-0 · 63pF，Rs = 0 · 80 Ω，Cp = 0 · 29pF，Ls = 0 · 7nH)。
[0046] 圖5a顯示了第一直流電源23為0V，第二直流電源26和第三直流電源52為5V時，即 第一 PIN二極管24隔離，第二PIN二極管14和第三PIN二極管35導通時濾波器的散射參數仿 真與測試結果，此時的濾波器為帶通模式。橫軸表示本發明中微帶濾波器的信號頻率，縱軸 表示濾波器的回波損耗(Sn)，回波損耗表示該端口信號的輸入功率與信號的反射功率之間 的關系，其相應的數學函數如下：反射功率/入射功率= 20*log|Sn|。圖5b顯示了濾波器的 插入損耗(S21)仿真結果，插入損耗表不一個信號的輸入功率與另一個端口信號的輸出功率 之間的關系，其相應的數學函數為:輸出功率/輸入功率((^) = 20*1呢|&1|。可以發現其帶 通模式頻率的調節范圍為805MHz-1032MHz (24.7 % )，且其回波損耗都超過10dB，性能優良。 [0047] 圖6a和6b顯示了第一直流電源23為5V，第二直流電源26和第三直流電源52為0V 時，即第一PIN二極管24導通，第二PIN二極管14和第三PIN二極管35隔離時濾波器的散射參 數仿真與測試結果，此時的濾波器為帶阻模式。可以發現其帶通模式頻率的調節范圍為 760MHz-l 228MHz (47.1 % )，且其抑制度都超過40dB，性能優良。
[0048] 圖7a和7b展示的是帶通模式下中心頻率在900MHz和1000MHz時的帶寬可控測試結 果。可以發現，測試的|S2i|3dB帶寬范圍在900MHz為92-166MHZ，在1000MHz為52-85MHZ。
[0049]以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故 凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器，其特征在于:包括輸入端口、輸出端口、 具有二分之一波長的第一開路諧振器、具有二分之一波長的第二開路諧振器、第一 PIN二極 管、第一直流電源、第二直流電源、第三直流電源、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一控制 直流電壓、第二控制直流電壓、第三控制直流電壓、第四控制直流電壓，該輸入端口與輸出 端口對稱設置，該第一開路諧振器與第二開路諧振器對稱設置;所述第一開路諧振器由第 一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第一變容管、第二變容管、第二PIN二極管以及依次 相接的第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線、第五微帶線、第六微帶線、第七 微帶線、第八微帶線構成，所述第二開路諧振器由第五電容、第六電容、第七電容、第八電 容、第三變容管、第四變容管、第三PIN二極管以及依次相接的第九微帶線、第十微帶線、第 十一微帶線、第十二微帶線、第十三微帶線、第十四微帶線、第十五微帶線、第十六微帶線構 成;所述輸入端口連接于第三微帶線，所述第一變容管與第一微帶線連接，所述第一控制直 流電壓經第一高頻扼流圈連接于第一微帶線，所述第一微帶線與第二微帶線之間通過第一 電容連接，所述第三微帶線與第四微帶線之間通過第二電容連接，所述第一直流電源依次 經第一電阻、第二高頻扼流圈連接于第四微帶線，所述第四微帶線與第十三微帶線之間連 接有第一 PIN二極管，所述第五微帶線與第六微帶線之間通過第三電容連接，所述第二直流 電源依次經第二電阻、第三高頻扼流圈連接于第六微帶線，所述第六微帶線與第七微帶線 之間通過第二PIN二極管連接，所述第七微帶線連接有第四高頻扼流圈，所述第七微帶線與 第八微帶線之間通過第四電容連接，所述第二變容管與第八微帶線連接，所述第二控制直 流電壓經第五高頻扼流圈連接于第八微帶線;所述第三變容管與第九微帶線連接，所述第 四控制直流電壓經第七高頻扼流圈連接于第九微帶線，所述第九微帶線與第十微帶線之間 通過第五電容連接，所述第十微帶線連接有第八高頻扼流圈，所述第十微帶線與第十一微 帶線之間通過第三PIN二極管連接，所述第三直流電源依次經第三電阻、第九高頻扼流圈連 接于第十一微帶線，所述第十一微帶線與第十二微帶線之間通過第六電容連接，第十三微 帶線與第十四微帶線之間通過第七電容連接，所述第十三微帶線連接有第十高頻扼流圈， 所述輸出端口與第十四微帶線連接，所述第十五微帶線與第十六微帶線之間通過第八電容 連接，所述第三控制直流電壓經第六高頻扼流圈連接于第十六微帶線，所述第四變容管與 第十六微帶線連接。2. 根據權利要求1所述的一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器，其特征在于:所 述第一開路諧振器和第二開路諧振器的等效長度對應于帶通濾波器工作頻率對應的波長 的二分之一。3. 根據權利要求1所述的一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器，其特征在于:所 述第一變容管、第一微帶線、第一電容、第二微帶線構成具有四分之一波長的開路諧振器， 所述第四變容管、十六微帶線、第八電容、十五微帶線構成具有四分之一波長的開路諧振 器，其等效長度為帶阻濾波器工作頻率對應的波長的四分之一。4. 根據權利要求1所述的一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器，其特征在于:所 述輸入端口由第十七微帶線和第十八微帶線構成，所述第十八微帶線的一端與第十七微帶 線連接，另一端與第三微帶線連接。5. 根據權利要求1所述的一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器，其特征在于:所 述輸出端口由第十九微帶線和第二十微帶線構成，所述第十九微帶線的一端與第二十微帶 線連接，另一端與第十四微帶線連接。6.根據權利要求1所述的一種帶寬可控的平面可調帶通-帶阻濾波器，其特征在于:所 述第一電阻、第二電阻、第三電阻均為IOk阻值的電阻。
【文檔編號】H01P1/203GK105932378SQ201610411549
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】陳付昌, 李潤鑠
【申請人】華南理工大學