带宽可调的平衡式滤波功分器的制作方法

文档序号:17917774发布日期:2019-06-14 23:53
带宽可调的平衡式滤波功分器的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域,特别涉及带宽可调的平衡式滤波功分器。



背景技术:

与单端电路相比,平衡式电路具有良好的抗环境噪声和电磁干扰性能,因此已经受到广泛关注和应用。这些器件在频域内不仅能过滤差模信号,还能同时抑制共模噪声。此外,现代无线和移动通信系统的快速发展对微波器件的集成化和小型化提出了更高的要求,因此在当前和未来的通信领域中多功能元器件都是被高度需要的。

滤波器和功分器都是射频前端系统必不可少的部分。在许多应用中,互连不匹配会降低级联设计的性能。为了减少电路尺寸和提高性能,很多种具有各种优点的滤波功分器通过滤波器和功分器的级联设计被提出了。为了满足可重构的需求,各种使用半导体二极管设计的可重构滤波功分器诸如中心频率可调滤波功分器,带宽可调滤波功分器等都有了广泛的发展与应用。然而,根据国内外的文献报道,在可重构滤波功分器的设计中,带宽可调技术和平衡式拓扑结构还没能很好的结合。



技术实现要素:

本发明的目的在于:克服上述现有技术的缺陷,提出一种结构简单的带宽可调的平衡式滤波功分器。

为了达到上述目的,本发明提出的带宽可调的平衡式滤波功分器,其特征在于:包括矩形的上介质基板、下介质基板和金属地板,所述金属地板位于上介质基板和下介质基板之间;所述上介质基板的上表面设置有输入端馈线和第一输出端馈线,所述金属地板设置有槽线结构,该槽线结构具有短路的主传输槽线和设于该主传输槽线两侧的开路枝节,其中一个开路枝节的长度大于另一开路枝节的长度,两个可变电容分别加载在两个开路枝节的开路端,所述下介质基板的下表面设置有第二输出端馈线,第一输出端馈线和第二输出端馈线之间连接有穿过金属地板通孔的隔离电阻,以实现两输出端馈线之间的隔离。

两个不同长度的槽线开路枝节加载在主传输槽线上,不仅可以产生额外的传输极点来拓展与控制传输带宽,还能在通带的两边产生两个零点,实现良好的滤波功能。再通过调节加载在开路枝节上的可变电容则可以独立的控制两个传输极点零点的频率,并且传输零点伴随着移动,从而实现滤波功分器通带带宽的电调功能。

本发明还具有进一步的特征:

1、所述输入端馈线包括两个输入馈线和输入传输线;输出端馈线包括两个输出馈线和输出传输线。

2、所述隔离电阻两端分别连接两个输出传输线的端部。

3、所述可变电容的两端通过贯通上介质基板的金属通孔接在开路枝节的开路端两侧的金属地板上。

4、所述可变电容具有串联的变容二极管和隔直电容,一个可调节的电压经射频扼流圈加载在所述变容二极管和隔直电容之间。

实施本发明的技术方案,具有以下有益结果:1、通过控制加载槽线枝节终点处加载的可变电容的电容值,能使平衡式滤波功分器的差分通带频率产生调节;2、设计中使用的槽线过渡传输结构具有天生的抑制共模能力,使得在设计中不需要考虑共模的抑制。3、本发明选择直接馈电方式,可减小通带内插损,并简化了电路设计步骤。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的立体图。

图2是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的顶层示意图。

图3是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的中间层示意图。

图4是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的底层示意图。

图5是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的Sd11参数仿真测试图。

图6是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的Sd23参数仿真测试图。

图7是本实例带宽可调的平衡式滤波功分器的Scc21和Scc31参数仿真测试图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示,本实施例带宽可调的平衡式滤波功分器,包括矩形的上介质基板1、下介质基板2和金属地板3,金属地板3位于上介质基板1和下介质基板2之间。上介质基板1的上表面设置有输入端馈线4(微带馈线)和第一输出端馈线8(微带馈线),金属地板3设置有槽线结构,该槽线结构具有短路的主传输槽线5和设于该主传输槽线5两侧的开路枝节51、52,其中一个开路枝节51的长度大于另一开路枝节52的长度,两个可变电容61、62分别加载在两个开路枝节51、52的开路端53、54。可变电容61、62的两端通过贯通上介质基板1的金属通孔63、64接在开路枝节的开路端53、54两侧的金属地板3上。可变电容具有串联的变容二极管和隔直电容,一个可调节的电压经射频扼流圈加载在变容二极管和隔直电容之间,实现电容调节。此外,可变电容也可选用可变电容器。下介质基板2的下表面设置有第二输出端馈线7(微带馈线),第一输出端馈线8和第二输出端馈线7之间连接有穿过金属地板通孔93、94的隔离电阻91、92,以实现两输出端馈线之间的隔离。

其中,主传输槽线5与输入传输线43和输出传输线83、73垂直,两个开路枝节51、52与主传输槽线5垂直。输入端馈线4包括两个输入馈线41、42和输入传输线43;第一输出端馈线8包括两个输出馈线81、82和输出传输线83,第二输出端馈线7包括两个输出馈线71、72和输出传输线73。输入馈线41、42与输入传输线43垂直连接;输出馈线71、72(81、82)与对应的输出传输线73(83)垂直连接。本实施例中,为了便于安装SMA头,将输出馈线均设计成具有L型折弯。除此之外,一对输出馈线设计成具有L型折弯,另一对输出线为直线型,可是可行的替代方案。隔离电阻91、92两端分别连接两个输出传输线73、83的端部。

本平衡式滤波功分器中,平衡式输入端在顶层,两个平衡式输出端分别位于顶层和底层。滤波跟功分这两个功能通过中间层的槽线来实现。两个可调电容加载在槽线之间的开路端来实现带宽的可调性,同时电阻(R=2Z0=100Ω,Z0是每个端口的阻抗)通过一个通孔(连接到中间地上)被加载在两个输出端馈线之间,来实现两个平衡时输出端的隔离。

在这个设计中,所提出的滤波功分器的功率分配功能是通过微带到槽线的过渡结构来实现,分叉的槽线枝节在这种情况下可以被忽略,主要分析中间的主要槽线的特性就可以。因为槽线结构在是一种典型的平衡式传输线,它能通过需要的由微带线馈入的差模信号,同时抑制共模信号。因此,在这个设计中共模信号不需要去考虑。通过优化槽线和微带线(与槽线正交)的参数,一个好的功率分配响应可以得到。

为了获得滤波响应,一对有着不同长度(Ls2和Ls3)的槽线枝节被加载在主槽线上,如图2所示。它们不仅能够引入额外的极点来拓展与控制带宽,还能够在通带的两边增加两个传输零点,获得好的滤波响应。当Ls2=15.5毫米,Ls2=11.5毫米时,由于产生了新的模式2和模式3,两个额外的传输极点(虚线部分)被引入了。因此,带宽被很好的拓展了。同时,在通带的上阻带和下阻带获得两个零点。更重要的是这两个传输零点能够被它们所对应的相关枝节的长度独立控制和调节。长一点的枝节控制低端的传输零点,短一点的枝节控制高端的零点。当LS2不变,LS3变长时它的上阻带会下移而它的下阻带几乎保持不变,使得通带相对带宽变窄。这种现象对低端的传输零点也一样。

为了实现两个传输极点的电调节和获得带宽的灵活性,通过在可变电容上加载不同的偏置电压,实现两个可变电容的调节。所述可变电容具有串联的变容二极管Cbi和隔直电容Cai,一个可调节的电压经射频扼流圈加载在变容二极管和隔直电容之间。槽线的电长度能够通过改变加载的电压大小被等效地调节,从而调节槽线枝节所对应的传输极点谐振点频率,进而调节滤波器的通带带宽。

本发明基于微带线-槽线的带宽可调的平衡式滤波功分器中,中间的主传输槽线决定了中心频率;两个开路枝节槽线决定了通带内另外两个模式对应的极点位置。此外,信号由差分输入馈线进入,经过微带线到槽线再到微带线过渡,经两对差分输出馈线输出。由于两个开路枝节槽线也会在通带两侧产生两个零点,从而实现了良好的滤波效果。

本发明在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀,从而形成所需的金属图案,结构紧凑,可在两片PCB板上实现,生产成本低。同时,利用微带线-槽线的过渡特性以及对称面的加载隔离电阻,具有宽的工作频带,良好的频率选择性和端口的隔离特性。由于本发明的反相功分滤波器结构紧凑、频带宽、相位偏差小、隔离度高,适用于现代无线通信系统。

本实施例基于微带线-槽线的带宽可调的平衡式滤波功分器,顶层尺寸规格如图2所示,中间层尺寸规格如图3所示,底层尺寸规格如图4所示。

所采用介质基板的相对介电常数为3.55,厚度为0.508mm,损耗角正切为0.0027。采用的变容二极管是东芝的JDV2S71E,隔直电容是5 pF。结合图2、3、4,滤波功分器各尺寸参数如下L1 = 26 mm, Lr = 3.9 mm, Ls1 = 44 mm, Ls2 = 15.2 mm, Ls3 = 12 mm, W1 = 1 mm, W2 = 0.9 mm, Ws1 = 0.6 mm, Ws2 = 0.3 mm, r = 0.65 mm。滤波功分器包括50欧姆微带线导带的总面积为65 mm × 50 mm。

本实例带宽可调平衡式滤波功分器在电磁仿真软件HFSS.18.0中建模仿真,测试是用安捷伦N5230C网络分析仪来测得结果。图5是本实例中带宽可调的平衡式滤波功分器的S参数仿真测试图,从图中可以看出可以看出随着V1从0.2V变化到17.2V时低端的传输零点从2.29GHz变化到2.37GHz,随着V2从1.1V变化到15.9V时高端的传输零点从2.69GHz变化到2.84GHz。因此平衡时滤波器的3-dB相对带宽可以从5.6 % (V1 = 17.2 V 和 V2 = 1.1 V时)变化到12.6 % (V1 = 0.2 V 和 V2 = 15.9 V时),有着不止一倍的调节范围。Sdd21 和 Sdd31 的最小带内损耗是在 3.6 dB - 4.6 dB左右,两者的大小和相位差分别在0.3dB和5度左右。在通带内,两个平衡式输出端的回波损耗Sdd11和隔离Sdd23都大于10dB,如图6和图7所示。跟预想中一样,在很宽的频率范围内测试的共模抑制Scc21和Scc31都是大于37dB。

综上所述,本发明提出了一个带宽可调的平衡式滤波功分器。采用微带到槽线的过渡结构,实现了差模的功率分配和共模的高度抑制。因为在槽线枝节上加载了两个可变电容,所以通带的上下两个零点可以被独立控制调节,从而带宽就能实现灵活可变的功能,仿真结果与测试结果吻合良好。这个设计是迄今为止首次设计的一个带宽可调的平衡式滤波功分器,为现代和未来的平衡式通信系统与带宽可控的功能提供了一个融合设计的解决方案。

除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。

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