具有宽频率和宽带宽调节范围的射频可重构带通滤波器

摘要

本发明公开一种新型的具有宽的频率和带宽调节范围的射频可重构带通滤波器。该可重构滤波器包括上层微带结构，中间层介质基板和下层接地金属。上层微带结构由一个输入端口，一个输入馈电网络，一个十字形可调多模谐振器，一个输出馈电网络和一个输出端口顺次连接构成；输入、输出馈电网络均由隔直电容和50欧姆微带线组成；十字形可调多模谐振器由相互垂直的两条微带线和两端连接的六个变容二极管组成；输入、输出馈电网络分别从多模谐振器的左右两边串联的两个变容二极管之间抽头馈电。该可重构滤波器具有中心频率和带宽调节范围大、通带稳定性好等方面的优势，能重构为不同中心频率的宽带或者窄带带通滤波器，可用于可重构射频前端。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的基于变容二极管的射频电调带通滤波器，特别是一种具有宽 频率和宽带宽调节范围的射频可重构带通滤波器。

背景技术

电调滤波器是跳扩频通信技术、抗干扰雷达、动态频率分配技术、多功能接收机、 杂散发射测量等方面的关键技术之一。自二战以来，电调滤波器一直都是各国研究的热 点之一。在这个方面，目前已经有了一些研究报道，多种结构的电调滤波器已经被提出。 但是，近年来雷达和通信技术的快速发展对可调滤波器提出了更高的性能要求。

现代超宽带雷达和无线通信要求采用高性能的可重构射频前端。为了充分利用和融 合各种不同的无线信道和通信标准，射频前端需要工作在不同频率和带宽上，这就要求 一种同时具有频率和带宽调节能力的可重构射频前端。具有频率和带宽调节能力的可重 构滤波器（fully tunable filter）是可重构射频前端的重要组成部分。该种滤波器是电调 滤波器研究的前沿和趋势之一，目前国际上只有少量文献报道（不超过10篇，且基本 均发表在Trans上），但普遍存在以下问题：

（1）带宽调节范围较小，由于结构设计方面的问题，具有频率和带宽调节能力 的可重构滤波器都只能实现最大不超过15%的带宽。而目前宽带通信技术愈发成熟， 并已经进入实用阶段。虽然宽带滤波器的研究已经进行多年，并取得了丰硕的成果，然 而宽带可调滤波器的研制在国内外都是极其罕见的。显然最大15%的带宽远远不能满 足现代宽带通信系统的需求。

（2）在中心频率或者带宽变化时，不能保持稳定的滤波性能。这里的滤波性能 包括回波损耗，插入损耗，矩形系数，带外抑制度等。

针对带宽调节范围小的问题，虽然有文献研究了一些宽带的可调节带宽的电调滤波 器，然而往往不能自由控制其中心频率，在实际应用中受到了很大的限制。多模谐振器 最早由Lei Zhu教授在2005年时提出，由于单个谐振器中同时包含了多个谐振模式， 所以被广泛应用于宽带滤波器的设计中。但是到目前为止还没有报道是如何将多模谐振 器应用于频率和带宽都可调的可重构滤波器中。

针对中心频率和带宽调节时保持稳定滤波性能的问题，到目前为止还没有任何研究 报道是关于如何在中心频率和带宽调节时完美地保持稳定的滤波性能。

除了这两点普遍问题外，部分具有频率和带宽调节能力的可重构滤波器还存在着插 入损耗大，需要的控制直流电源多，以及体积大等问题。

总之，目前的可重构滤波器的设计中还需要解决带宽调节范围小、调节时性能不稳 定等方面的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微带线可调多模谐振器的高性能可重构带通滤波 器，该可重构带通滤波器可以实现高达60%的频率调节范围和65%的带宽，同时保证了稳 定的滤波性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种具有宽频率和宽带宽调节范围的 射频可重构带通滤波器，包括上层的微带结构，中间层介质基板和下层的接地金属，所 述上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层的下表面为接地金属；上层微带结 构包括一个十字形可调微带线多模谐振器、一个输入馈电网络、一个输出馈电网络、一 个输入端口和一个输出端口；十字形可调多模谐振器包括相互垂直的两条微带线和六个 变容二极管，其中水平微带线的两端分别连接串联的两个变容二极管，垂直的微带线的 两端分别连接了一个变容二极管，具体为：十字形可调微带线多模谐振器包括水平矩形 微带线和垂直矩形微带线，水平微带线的一端串联第一变容二极管和第二变容二极管， 水平微带线的另一端串联第三变容二极管和第四变容二极管，垂直微带线从水平微带线 的中点垂直穿过，垂直微带线的一端连接第五变容二极管，垂直微带线的另一端连接第 六变容二极管；输入馈电网络包括顺次连接的隔直电容和50欧姆矩形微带线，输出馈电 网络包括顺次连接的隔直电容和50欧姆矩形微带线；所述输入端口和输出端口的特征阻 抗都为50欧姆；输入端口与输入馈电网络连接，输出端口与输出馈电网络连接；输入馈 电网络从多模谐振器的第一变容二极管和第二变容二极管之间抽头馈电，输出馈电网络 从多模谐振器的第三变容二极管和第四变容二极管之间抽头馈电；所述的十字形可调微 带线多模谐振器左右对称，输入馈电网络、输入端口、输出馈电网络、输出端口呈左右 对称分布。

上述的具有宽频率和宽带宽调节范围的射频可重构带通滤波器中，所述变容二极管 的空置端均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。

为了进一步实现本发明的目的，上述的具有宽频率和宽带宽调节范围的射频可重构 带通滤波器中，所述的十字形可调微带线多模谐振器中的水平微带线长12～24mm，宽 0.5～2mm；垂直微带线宽0.5～3mm，处于水平微带线上面的部分长4～12mm，处于 水平微带线下面的部分长1～6mm；所述的馈电网络中的两个隔直电容的容值相同且均 在6pF以上。

所述的介质基板的介电常数ε_r为2～10，高度为0.2～1mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点为:1)本发明设计了新型的微带线十字形可调 多模谐振器，第一次利用两个串联变容二极管调节抽头馈电的位置，使得该可重构滤波 器拥有很宽的频率和带宽调节范围，同时保证了稳定的滤波性能；2）微带线十字形可 调多模谐振器具有能独立调节的三个带内极点，可以实现较宽的带宽；实测中带宽可达 65%，远远超出了现有的电调滤波器，达到了宽带通信的标准；3）使用两个串联变容二 极管调节抽头馈电的位置，使谐振器能灵活准确地与馈电网络进行阻抗匹配，使得本可 重构带通滤波器处于任何工作频率和带宽时均能保持稳定一致的滤波特性；实测中回波 损耗被稳定在12dB左右，通带内纹波较为均匀；4）设计的微带线十字形可调多模谐振 器具有能随通带移动的两个带外零点，大大改善了可重构滤波器的选择性；5）由于采 用了抽头馈电方式，不存在传统结构中对能量造成较大损耗的耦合结构，本可重构滤波 器具有较小的插入损耗，实测中插入损耗在1–2dB之间；6）由于引入可调多模谐振器， 本发明与同阶的具有频率带宽调节能力的可重构滤波器相比，需要较少的控制直流电 源；7）本发明与现有的其他设计方案相比，本可重构滤波器结构的设计更为简洁，体 积也更小。

附图说明

图1是具有宽频率和宽带宽调节范围的高性能可重构带通滤波器的 原理图。

图2是上述的十字形可调多模谐振器的原理图。

图3a是图2中的十字形可调多模谐振器的极点和零点随C₁变化的关系图。

图3b是图2中的十字形可调多模谐振器的极点和零点随C₂、C₃变化的关系图。

图4是串联的第一变容二极管7、第二变容二极管8（或第三变容二极管9、第四变容 二极管10）控制输入馈电网络（或输出馈电网络）抽头位置的原理示意图。

图5a是带宽保持不变、中心频率调节的传输特性曲线。

图5b是带宽保持不变、中心频率调节的回波损耗曲线。

图5c是中心频率不变、带宽调节的传输特性曲线和回波损耗曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于 下例表述的范围。

如图1所示，一种具有宽频率和宽带宽调节范围的射频可重构带通滤波器，包括 上层的微带结构，中间层介质基板和下层的接地金属，所述上层微带结构附着在中间层 介质板上表面，中间层的下表面为接地金属；上层微带结构包括一个十字形可调微带线 多模谐振器、一个输入馈电网络、一个输出馈电网络、一个输入端口和一个输出端口； 十字形可调多模谐振器包括相互垂直的两条微带线和六个变容二极管，其中水平微带线 的两端分别连接串联的两个变容二极管，垂直的微带线的两端分别连接了一个变容二极 管，具体为：十字形可调微带线多模谐振器包括水平矩形微带线2和垂直矩形微带线3， 水平微带线2的一端串联第一变容二极管7和第二变容二极管8，水平微带线2的另一 端串联第三变容二极管9和第四变容二极管10，垂直微带线3从水平微带线2的中点 垂直穿过，垂直微带线3的一端连接第五变容二极管11，垂直微带线3的另一端连接 第六变容二极管12；输入馈电网络包括顺次连接的隔直电容5和50欧姆矩形微带线1， 输出馈电网络包括顺次连接的隔直电容6和50欧姆矩形微带线4；所述输入端口和输 出端口的特征阻抗都为50欧姆；

输入端口与输入馈电网络连接，输出端口与输出馈电网络连接；输入馈电网络从 多模谐振器的第一变容二极管7和第二变容二极管8之间抽头馈电，输出馈电网络从多 模谐振器的第三变容二极管9和第四变容二极管10之间抽头馈电；所述的十字形可调 微带线多模谐振器左右对称，输入馈电网络、输入端口、输出馈电网络、输出端口呈左 右对称分布。

上述的具有宽频率和宽带宽调节范围的射频可重构带通滤波器中，所述变容二极管 的空置端均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。

上述的具有宽频率和宽带宽调节范围的射频可重构带通滤波器中，所述的十字形可 调微带线多模谐振器中的水平微带线2长12～24mm，宽0.5～2mm；垂直微带线3宽 0.5～3mm，处于水平微带线上面的部分长4～12mm，处于水平微带线下面的部分长1～ 6mm；所述的馈电网络中的两个隔直电容的容值相同且均在6pF以上。

所述的介质基板的介电常数ε_r为2～10，高度为0.2～1mm。

结合图2，上述的十字形可调微带多模谐振器的具体尺寸可以根据下面公式关系选 取：

$C_1=\frac{Y_1}{2\pi f_o}\cot \left(\frac{2\pi l_1\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_o\right)$

$C_2=\frac{2C_1\pi f_{e1}{Z}_1+\tan \left(\frac{2\pi (l_1+l_2)\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_{e1}\right)}{\pi f_{\mathrm{el}}{Z}_1+2C_1{\pi }^2{f}_{e1}^2{Z}_1^2\tan \left(\frac{2\pi (l_1+l_2)\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_{e1}\right)}$

$C_3=\frac{2C_1\pi f_{e2}{Z}_1+\tan \left(\frac{2\pi (l_1+l_3)\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_{e2}\right)}{\pi f_{\mathrm{el}}{Z}_1+2C_1{\pi }^2{f}_{e2}^2{Z}_1^2\tan \left(\frac{2\pi (l_1+l_3)\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_{e2}\right)}$

$C_2=\frac{Y_2}{2\pi f_{\mathrm{TZ}1}}\cot \left(\frac{2\pi l_2\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_{\mathrm{TZ}1}\right)$

$C_3=\frac{Y_2}{2\pi f_{\mathrm{TZ}2}}\cot \left(\frac{2\pi l_3\sqrt{{ϵ}_r}}{c}{f}_{\mathrm{TZ}2}\right)$

其中Y₁为水平矩形微带线2的特性导纳，Z₁为水平矩形微带线2的特性阻抗；l₁为水 平矩形微带线2的物理长度；Y₂为垂直矩形微带线3的特性导纳；l₂是垂直矩形微带线3 在水平矩形微带线2上方部分的物理长度；l₃是垂直矩形微带线3在水平矩形微带线2下 方部分的物理长度；c为光在真空中的传播速度；f_o,f_e1,f_e2,f_TZ1,f_TZ2分别对应着图5中 通带内中间的极点、通带内左边的极点、通带内右边的极点、通带外左边阻带内的零点、 通带外右边阻带内的零点的谐振频率；C₁表示串联的第一变容二极管7、第二变容二极 管8（或第三变容二极管9、第四变容二极管10）的串联电容；C₂表示第五变容二极管 11的电容值；C₃表示第六变容二极管12的电容值；ε_r是上述介质基板的介电常数。

图3描述了上述谐振器中的变容二极管对三个极点和两个零点的影响关系。当变容 二极管的电容取值处于A点和B点中间时，该谐振器能形成一个具有三个极点和两个零点 的带通特性。图3a中，f_o,f_e1,f_e2,f_TZ1,f_TZ2分别对应着通带内中间的极点、通带内左边的 极点、通带内右边的极点、通带外左边阻带内的零点、通带外右边阻带内的零点的谐振 频率；C₁表示第一变容二极管7、第二变容二极管8（或第三变容二极管9、第四变容二 极管10）的串联电容；图3b中,f_o,f_e1,f_e2,f_TZ1,f_TZ2分别对应着通带内中间的极点、通带 内左边的极点、通带内右边的极点、通带外左边阻带内的零点、通带外右边阻带内的零 点的谐振频率；C₂表示第五变容二极管11的电容值；C₃表示第六变容二极管12的电容 值。

由于上述十字形可调微带线多模谐振器工作在不同中心频率和带宽时，需要不同的 外部品质因数与之相匹配，本发明设计了一对串联的变容二极管来进行阻抗匹配。根据 专著“J.S.Hong and M.J.Lancaster,Microwave Filter for RF/Microwave Application,New  York:John Wiley&Sons,2001.”中所介绍的滤波器设计理论，对于抽头馈电的滤波器， 抽头在谐振器上的位置对外部品质因数有较大影响。如图4所示，在保持第一变容二极 管7、第二变容二极管8的串联电容C₁不变的情况下，改变第一变容二极管7和第二变容 二极管8的电容，就可以等效为馈电网络的抽头在谐振器上进行移动，改变了外部品质 因数，可以为不同状态下的谐振器和馈电网络之间提供良好的匹配。

在下面的实施例中，具有669MHz-1215MHz宽频率和宽带宽调节范围的高性能可重 构带通滤波器制作在相对介电常数为3.38、厚度0.8128mm、损耗因子为0.0027的介质基 本上。变容二极管均选用东芝公司的硅变容二极管1sv232。

实施实例：具有669MHz-1215MHz宽频率和宽带宽调节范围的高性能可重构带通滤 波器。

具有669MHz-1215MHz宽频率和宽带宽调节范围的高性能可重构带通滤波器如图1 所示。具体参数为：水平微带线2长22mm，宽1mm；垂直微带线3宽2mm，处于水平微 带线上面的部分长7mm，处于水平微带线下面的部分长4.2mm；两个隔直电容5、6的电 容值相等且均为15pF；50欧姆微带线1、4长度不限，宽1.9mm。图5给出了利用上述参 数所设计的滤波器进行仿真和实际测量的结果，其中仿真和实际测量分别使用安捷伦公 司的商业电磁仿真软件ADS和安立公司的MS4624D矢量网络分析仪来完成的。为了展 示该滤波器的性能特性，本例中分两种情况来展示，一种情况为带宽不变调节中心频率， 另一种情况为中心频率不变调节带宽。图5a所示的为该滤波器带宽恒定为300MHz调节 中心频率时仿真及实际测试的传输特性，横轴表示频率，纵轴表示传输特性|S₂₁|，图5b 所示的为该滤波器带宽恒定为300MHz调节中心频率时仿真及实际测试的反射特性，横 轴表示频率，纵轴表示回波损耗|S₁₁|。图5c所示的为该滤波器中心频率保持为1000MHz 调节带宽时仿真及实际测试的传输特性和反射特性，横轴表示频率，左纵轴表示传输特 性|S₂₁|，右纵轴表示回波损耗|S₁₁|。由这三幅图可见，滤波器的通带频率调谐范围从 669MHz到1215MHz，具有58%的相对带宽调节范围，其绝对带宽调节范围从140MHz 到644MHz，对应的相对带宽调节范围从14%到64.4%。该滤波器的频率调谐范围和带宽 调节范围均超越现有的滤波器。一般宽带通信的标准是相对带宽20%以上，该滤波器的 带宽调节范围远远超过了这一标准，实现了宽带可重构的滤波器特性。在所有工作状态 下，插入损耗的变化范围为1dB到2dB，回波损耗保持在12dB左右，而且纹波极为均匀， 因此该滤波器在频率和带宽调节的同时保持了稳定的滤波特性。另外该滤波器带外的零 点提高了通带的矩形系数，满足了现代通信系统中对滤波器选择性的要求。

本发明提出了一种新型的基于可调多模谐振器的可调滤波器结构，通过多模谐振器 中的变容二极管控制各个谐振模式的频率实现了很宽的中心频率和带宽的调节范围；并 使用串联的变容二极管电调馈电网络的抽头位置来控制外部品质因数，进而在对频率和 带宽进行调节时保持了稳定的滤波特性；此外，该种基于可调多模谐振器的新型可调滤 波器结构还具备插入损耗小、所需直流电压低、体积小、结构设计简单等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。