專利名稱：具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及中心頻率可調的平衡式射頻電調帶通濾波器，具體涉及一種可應用在多頻帶、寬頻帶和可重構射頻前端系統中的具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器。
背景技術：
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。例如在認知無線電體系中，為了充分利用和融合各種不同的無線信道和標準，射頻前端需要工作在不同的頻率上，這就需要中心頻率可調諧的可重構射頻前端。射頻電調帶通濾波器是可重構射頻前端的重要組成部分，因此日益受到重視。在這個方面，目前已經有一些研究報道，多種不同的調諧器件也已經被使用，例如半導體變容二極管、射頻微機電系統(RF MEMS)電容管以及鐵電薄膜材料變容管等。不管采用哪種調諧器件，射頻電調帶通濾波器所面臨的問題，主要包括(I)例如當調諧通帶的中心頻率時,通帶的絕對帶寬也會隨之發生變化,而在很多應用中無線信道的絕對帶寬是恒定不變的，因此我們需要在調諧中心頻率的時候使通帶的絕對帶寬保持恒定不變。(2)系統周圍環境噪聲的干擾。環境噪聲的存在導致濾波器的性能下降，從而影響到射頻前端的整體性能。因此必須采取一些抑制環境噪聲的方法。針對中心頻率調諧時帶寬恒定的問題，目前已經提出了一些方法。根據“M.Sanchez-Renedoj R. Gomez-Garciaj J. I. Alonso, and C. Briso-Rodriguezj Tunablecombline filter with continuous control of center frequency and bandwidth,IEEE Trans. Microw. Theory Tech·，vol. 53，no. 1，pp. 191-199，Janj 2005·，，所提供的分析可知，通過在諧振器之間插入介質來控制耦合系數，從而能夠滿足帶寬恒定。根據 “S. J. Park, and G. M. Rebeizj Low-Ioss two-pole tunable filters with threedifferent predefined bandwidth characteristics, IEEE Trans. Microw. TheoryTech.，vol. 56，no. 5，pp. 1137-1148，May, 2008. ” 所提供的分析可知，釆用獨立的電耦合和磁耦合機制來控制耦合系數的變化，能夠實現特定的帶寬特性。根據“Μ. A.El-Tananij and G. M. Rebeizj High -Performance I. 5_2· 5~GHz RF-MEMS TunableFilters for Wireless Applications, IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， vol. 58，no. 6，pp. 1629-1637，Junj 2010. ”所提供的分析可知，釆用電磁混合賴合機制同樣能夠滿足帶寬恒定。然而上面所提出的方法都是單端口電路，對于環境噪聲的抑制基本無能為力。平衡結構電路對環境噪聲有較好的抑制效果，因此平衡電路在現代通信系統中得到廣泛應用。當前大部分的研究主要集中在阻帶擴展、共模抑制、拓寬通帶或者使用差模響應獲得雙頻帶。根據 “J. Shi, and Q. Xue, Balanced Bandpass Filters UsingCenter-Loaded Half-Wavelength Resonators, IEEE Trans. Microw. Theory Tech.，vol. 58，no. 4，pp. 970-977，Apr, 2010. ”所提供的分析可知，中間加載電阻的方式可
以吸收共模信號。但上面所述的平衡式濾波器設計都是頻率不可調的。到目前為止還沒有任何研究報告是關于具有絕對帶寬控制和共模抑制特性的平衡式射頻電調濾波器。
實用新型內容為了達到恒定絕對帶寬，并對環境噪聲這類共模信號進行抑制，本實用新型提供了具有恒定絕對帶寬的平衡 式射頻電調帶通濾波器，該平衡式帶通濾波器不僅中心頻率調諧時絕對帶寬恒定，而且對共模信號具有很好的抑制作用。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，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板上表面，中間層介質板下表面為接地金屬；上層微帶結構包括四個半波長諧振器、兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口和兩個輸出端口，兩個輸入端口分別與兩個輸入饋電網絡連接，兩個輸出端口分別與兩個輸出饋電網絡連接，兩個輸入饋電網絡以抽頭線方式分別與第一半波長諧振器相接，第一半波長諧振器再分別與第二半波長諧振器和第四半波長諧振器相接，第二半波長諧振器和第四半波長諧振器再分別與第三半波長諧振器耦合，第三半波長諧振器再以抽頭線方式分別與兩個輸出饋電網絡相接，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中間均加載有用于吸收共模信號的不同大小的電容，上述所有半波長諧振器的兩端均有變容二極管。上述的具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器中，所述第一半波長諧振器由第一變容二極管、第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線和第二變容二極管順次連接構成，第一變容二極管和第二變容二極管的陽極均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連，第三半波長諧振器與第一半波長諧振器結構相同；第二半波長諧振器由第三變容二極管、第五微帶線、第六微帶線、第七微帶線、第四變容二極管順次連接構成，第三變容二極管和第四變容二極管的陽極均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連，第四半波長諧振器與第二半波長諧振器結構相同且位于第一半波長諧振器和第三半波長諧振器之間；第二半波長諧振器的第五微帶線和第一半波長諧振器的第二微帶線平行設置構成級間耦合結構；第二半波長諧振器的第七微帶線和第三半波長諧振器的第十微帶線平行設置構成級間耦合結構；上述四個半波長諧振器排布成左右、上下均對稱的結構；兩個輸入饋電網絡中的第一輸入饋電網絡由第一電容、第八微帶線順次連接構成，第八微帶線另一端以抽頭線方式接到第一半波長諧振器的第二微帶線上；第二輸入饋電網絡的結構與第一輸入饋電網絡相同；兩個輸入端口中的第一輸入端口由第九微帶線構成，第九微帶線與第一輸入饋電網絡的第一電容始端連接，第二輸入端口與第一輸入端口結構相同，兩個輸入饋電網絡與兩個輸出饋電網絡結構相同，兩個輸入端口和兩個輸出端口結構相同；兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口、兩個輸出端口和上述四個半波長諧振器一起排布成左右、上下均對稱的結構。上述具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器中，所述電容另一端均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連。所述的具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，當第一輸入端口和第二輸入端口輸入差模信號時，整個濾波器在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中點所在的直線位置上形成一個電隔離墻。由于這種結構在諧振器之間的耦合主要是電耦合，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器在中間位置沒有電流，接在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器中間加載的所述電容可以忽略，因此在差模激勵下，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器等效為兩個相同的四分之一波長的諧振器，同時和第二半波長諧振器耦合形成帶通濾波器結構；當第一輸入端口和第二輸入端口輸入共模信號時，整個濾波器在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中點所在的直線位置上形成一個磁隔離墻。第一半波長諧振器和第三半波長諧振器在中間位置有電流流通，接在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器中間加載的所述電容上有電流流通。第一半波長諧振器和第三半波長諧振器等效的兩個四分之一波長的諧振器需要考慮中間加載的所述電容。由于第一半波長諧振器和第三半波長諧振器上的中間加載的所述電容不一樣，實際工作等效的兩個四分之一波長諧振器的諧振頻率不同，使得共模信號不能通過，達到抑制的效果。所述全部輸入輸出饋電網絡采用抽頭線饋電方式，能得到更好的外部品質因數；在耦合區域采用電磁混合耦合機制能夠滿足恒定絕對帶寬。為進一步實現本實用新型目的，所述具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器的第一微帶線長度為10. 2mm,寬度為O. 8mm,第二微帶線長度為18. 7mm,第五微帶線長度為24. Imm,寬度為O. 8mm,第六微帶線長度為10. 4mm,第八微帶線長度為3. 3mm,寬度為O. 6mm,第一電容大小為7pF,第一半波長諧振器中間加載的所述電容大小為20pF,第三半波長諧振器中間加載的所述電容大小為7pF，第二微帶線和第五微帶線之間的距離為O. 6mm。與現有技術相比，本實用新型采用新型的平衡結構和半波長諧振器級間耦合結構，中心頻率調諧時絕對帶寬帶寬保持恒定且能很好的抑制共模干擾信號的電調帶通濾波器。總體上具有如下優點和效果(1)由于使用平衡結構設計，該帶通濾波器對于差模信號能正常工作，而對于共模信號則有較好的抑制作用，因此對于環境噪聲這類干擾具有免疫功能。實施例中實測的共模抑制水平都超過_23dB。(2)通過對輸入饋電網絡以及級間耦合方式的設置，可以實現在中心頻率調諧時相對帶寬或者絕對帶寬的恒定，能夠滿足不同應用需求。
圖1是具有恒定絕對對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器ABW的原理圖；圖2是ABW差模等效電路；圖3a是ABW差模情況下的等效四分之一波長諧振器；圖3b是ABW差模情況下的等效半波長諧振器；圖4是圖3a中四分之一波長諧振器謝振頻率、電容值和微帶線長度的關系；圖5是圖3b中半波長諧振器謝振頻率、電容值和微帶線長度的關系；圖6是ABW共模等效電路；圖7是ABW共模情況下第一諧振器的等效四分之一波長諧振器；圖8a是ABW的差模傳輸特性曲線；[0027]圖8b是ABW的差模回波損耗曲線；圖8c是ABW的共模傳輸特性曲線
具體實施方案
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明，但本實用新型要求保護的范圍并不局限于下例表述的范圍。如圖I所示，具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，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板上表面，中間層介質板下表面為接地金屬；上層微帶結構包括四個半波長諧振器、兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口和兩個輸出端口，兩個輸入端口分別與兩個輸入饋電網絡連接，兩個輸出端口分別與兩個輸出饋電網絡連接，兩個輸入饋電網絡以抽頭線方式分別與第一半波長諧振器相接(即不與第一半波長諧振器的兩端連接，而與兩端之間的部位連接)，第一半波長諧振器再分別與第二半波長諧振器和第四半波長諧振器相接，第二半波長諧振器和第四半波長諧振器再分別與第三半波長諧振器耦合，第三半波長諧振器再以抽頭線方式分別與兩個輸出饋電網絡相接，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中間均加載有用于吸收共模信號的不同大小的電容；上述所有半波長諧振器的兩端均有變容二極管。所述第一半波長諧振器由第一變容二極管I、第一微帶線2、第二微帶線3、第三微帶線4、第四微帶線5和第二變容二極管6順次連接構成，第一變容二極管I和第二變容二極管6的陽極均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連，第三半波長諧振器與第一半波長諧振器結構相同；第二半波長諧振器由第三變容二極管7、第五微帶線8、第六微帶線9、第七微帶線10、第四變容二極管11順次連接構成，第三變容二極管7和第四變容二極管11的陽極均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連，第四半波長諧振器與第二半波長諧振器結構相同且位于第一半波長諧振器和第三半波長諧振器之間；第二半波長諧振器的第五微帶線8和第一半波長諧振器的第二微帶線3平行設置構成級間耦合結構；第二半波長諧振器的第七微帶線10和第三半波長諧振器的第十微帶線12平行設置構成級間耦合結構；上述四個半波長諧振器排布成左右、上下均對稱的結構；兩個輸入饋電網絡中的第一輸入饋電網絡17由第一電容15、第八微帶線16順次連接構成，第八微帶線16另一端以抽頭線方式接到第一半波長諧振器的第二微帶線3上；第二輸入饋電網絡18的結構與第一輸入饋電網絡17相同；兩個輸入端口中的第一輸入端口 IN由第九微帶線21構成，第九微帶線21與第一輸入饋電網絡17的第一電容15始端連接，第二輸入端口 IN’與第一輸入端口 IN結構相同，兩個輸入饋電網絡與兩個輸出饋電網絡結構相同，兩個輸入端口和兩個輸出端口結構相同；兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口、兩個輸出端口和上述四個半波長諧振器一起排布成左右、上下均對稱的結構。第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中間均加載有用于吸收共模信號的不同大小的第二電容13和第三電容14，所述第二電容13和第三電容14均有一端穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連；兩個輸入端口和兩個輸出端口的傳輸線的特性阻抗都為50 Ω。調整濾波器的各項參數，使濾波器在整個結構上達到平衡。當第一輸入端口 IN和第二輸入端口 IN’輸入差模信號時，整個濾波器在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中點所在的直線位置上形成一個電隔離墻。由于這種結構在諧振器之間的耦合主要是電耦合，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器在中間位置沒有電流，接在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器中間加載的所述第二電容13和第三電容14可以忽略，因此在差模激勵下，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器等效為兩個四分之一波長的諧振器，同時和第二半波長諧振器耦合形成帶通濾波器結構；此時濾波器的等效結構如圖2所示。圖3a和3b給出了差模情況下等效的四分之一波長諧振器和第二半波長諧振器。根據“A. R.Brown, and G. M. Rebeizj A varactor-tuned RF filter, IEEE Trans. Microw. TheoryTech.，vol. 48，no. 7，pp. 1157-1160，Julj 2000. ”所提供的分析可知，在圖 3a 中，當四分之一波長諧振器諧振時，從四分之一波長諧振器左端看過去的導納Ydtunl的虛部等于零，對于給定的一個電壓，加載變容二極管的整個諧振器的諧振頻率
Γ Y1 tan"1 Q1f =」-± ；
Jtl- 2π€其中Y1是諧振器的特性導納A1是第一微帶線6的電長度；C是變容二極管在不
同電壓下的電容值；在圖4中顯示了圖3a中四分之一波長諧振器的諧振頻率、變容二極管的電容值C和微帶線長度的關系，可以看出隨著電容的增大，諧振器的諧振頻率下降；隨著微帶線長度的變短，可調節區間變大；同樣對于第二半波長諧振器，諧振頻率為
roo36i f —γ l+/l+tane22 fdd2 - Y2 涵冗一其中Y2是諧振器的特性導納；β2是半波長諧振器的電長度；C是變容二極管在不
同電壓下的電容值；在圖5中顯示了圖3b中第二半波長諧振器的諧振頻率、變容二極管的電容值C和微帶線長度的關系，可以看出在長度IO-ISmm范圍內諧振頻率和電容值的關系
特性與四分之一波長諧振器在長度6-8mm內的關系特性相似，當02 = SB1時，相同的電壓
下fdd: =fddi ；所以兩個諧振器頻率在電壓相同時能夠匹配，濾波器能夠正常工作。當第一輸入端口和第二輸入端口輸入共模信號時，整個濾波器在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中點所在的直線位置上形成一個磁隔離墻。第一半波長諧振器和第三半波長諧振器在中間位置有電流流通，接在第一半波長諧振器和第三半波長諧振器中間加載的所述電容上有電流流通。第一半波長諧振器和第三半波長諧振器等效的兩個四分之一波長的諧振器需要考慮中間加載的所述電容。共模信號時的實際工作等效濾波器結構如圖6所示。圖7給出了等效的四分之一波長的諧振器，諧振頻率為
權利要求1.具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，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板上表面，中間層介質板下表面為接地金屬；上層微帶結構包括四個半波長諧振器、兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口和兩個輸出端口，兩個輸入端口分別與兩個輸入饋電網 絡連接，兩個輸出端口分別與兩個輸出饋電網絡連接，第一半波長諧振器以抽頭線方式分別與兩個輸入饋電網絡相接，第一半波長諧振器再分別與第二半波長諧振器和第四半波長諧振器耦合，第二半波長諧振器和第四半波長諧振器再分別與第三半波長諧振器耦合，第三半波長諧振器再以抽頭線方式分別與兩個輸出饋電網絡相接，第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中間均加載有用于吸收共模信號的不同大小的電容，上述所有半波長諧振器的兩端均有變容二極管。
2.根據權利要求I所述的具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，其特征在于所述第一半波長諧振器由第一變容二極管、第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線和第二變容二極管順次連接構成，第一微帶線垂直于第二微帶線，第三微帶線垂直于第四微帶線，第一變容二極管和第二變容二極管的陽極均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連，第三半波長諧振器與第一半波長諧振器結構相同；第二半波長諧振器由第三變容二極管、第五微帶線、第六微帶線、第七微帶線、第四變容二極管順次連接構成，第三變容二極管和第四變容二極管的陽極均穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連，第四半波長諧振器與第二半波長諧振器結構相同且位于第一半波長諧振器和第三半波長諧振器之間，上述四個半波長諧振器一起排布成左右、上下均對稱的結構；兩個輸入饋電網絡中的第一輸入饋電網絡由第一電容、第八微帶線順次連接構成，第八微帶線的一端與第一電容一端連接，第一半波長諧振器的第二微帶線以抽頭線方式與第八微帶線的另一端連接；第二輸入饋電網絡的結構與第一輸入饋電網絡相同；兩個輸入端口中的第一輸入端口由第九微帶線構成，第九微帶線與第一輸入饋電網絡的第一電容的另一端連接，第二輸入端口與第一輸入端口結構相同，兩個輸入饋電網絡與兩個輸出饋電網絡結構相同，兩個輸入端口和兩個輸出端口結構相同；兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口、兩個輸出端口和上述四個半波長諧振器一起排布成左右、上下均對稱的結構。
3.根據權利要求2所述的具有恒定相對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，其特征在于第一半波長諧振器和第三半波長諧振器的中間加載的所述電容的另一端穿過中間層介質基板與下層接地金屬相連。
4.根據權利要求2所述的具有恒定相對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，其特征在于第二半波長諧振器的第五微帶線和第一半波長諧振器的第二微帶線平行設置構成級間耦合結構；第二半波長諧振器的第七微帶線和第三半波長諧振器的第十微帶線平行設置構成級間耦合結構。
5.根據權利要求2所述的具有恒定相對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器，其特征在于兩個輸入端口和兩個輸出端口的傳輸線的特性阻抗都為50 Ω。
6.根據權利要求2 5任一項所述的具有恒定相對帶寬的平衡式射頻電調濾波器，其特征在于，所述第一微帶線長度為10. 2mm,寬度為O. 8mm,第二微帶線長度為18. 7mm,第五微帶線長度為24. Imm,寬度為O. 8mm,第六微帶線長度為10. 4mm,第八微帶線長度為3. 3mm, 寬度為O. 6mm,第一電容大小為7pF,第一半波長諧振器中間加載的所述電容大小為20pF,第三半波長諧振器中間加載的所述電容大小 為7pF，第二微帶線和第五微帶線之間的距離為 O. 6mm。
專利摘要本實用新型公開具有恒定絕對帶寬的平衡式射頻電調帶通濾波器。該帶通濾波器由上層的的微帶結構，中間層介質基板和下層的接地金屬組成。上層微帶結構采用平衡電路，包括四個半波長諧振器、兩個輸入饋電網絡、兩個輸出饋電網絡、兩個輸入端口和兩個輸出端口；四個半波長諧振器都由微帶線和兩端連接的變容二極管組成；第一半波長諧振器和第三半波長諧振器中間均加載電容；第二半波長諧振器和第四半波長諧振器彎折對稱排布；整個濾波器結構鏡像對稱。本實用新型的平衡式射頻電調濾波器實現中心頻率調諧時帶寬絕對恒定、能抑制共模干擾，可用于無線通信的可重構射頻前端。
文檔編號H03H7/12GK202364184SQ20112017717
公開日2012年8月1日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者李園春, 章秀銀, 胡斌杰, 黃勛 申請人:華南理工大學