一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质基板、下层的接地金属板以及金属通孔，所述微带线结构包括一对左右对称的多模谐振器和一对左右对称的输入/输出馈电线，每个多模谐振器包括一个开口环谐振器和一个枝节结构，所述开口环谐振器的开口处通过一组串联的变容二极管连接，所述枝节结构呈“巾”字型，并加载在开口环谐振器的中心，该枝节结构的一侧枝节线末端加载一个变容二极管，中心枝节线下端经过两次弯折；每段输入/输出馈电线包括一段终端短路微带线和一段终端开路微带线。本实用新型的第一、二个通带是独立可电调的，第三个固定通带是可控的，并且三个通带的带宽也是可控的。
【专利说明】
一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种三频带通滤波器，尤其是一种应用于三频可重构射频前端系 统的具有两个可电调通带的三频带通滤波器，属于微波通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 在现代无线通信系统的飞速发展过程中，对能够兼容多个频段，实现多个业务的 系统需求量越来越大。而射频电调滤波器作为射频前端系统的重要组成部分，并且具有体 积小、成本低以及灵活性等优势，日益受到重视。因此，同时兼容多个频段，带宽可控，并且 中心频率可以灵活调节的带通滤波器更具吸引力，对三频带可调带通滤波器的研究具有重 大的意义。
[0003] 单频段可调滤波器当前已得到了广泛的研究，也有部分双频可调带通滤波器被报 道，但由于三频带可调滤波器设计难度大，较难独立控制每个通带，所以很少有关于多于两 个频段的三频带可调滤波器的报道。
[0004] 2013年，Chan-Keong Chio等人在Microwave Symposium Digest(IMS)会议上发表 的"Novel reconfigurable multiple-band quasi-elliptic bandpass filter using defected ground structure"，提出了基于缺陷地结构的三频段可切换滤波器，该滤波器 可以在三个工作频段中随意切换，但是不能实现中心频率的连续快速可调。
[0005] 2015年，Roberto G0mez-Garcia等人在IEEE Transaction on MTT上发表了 "Reconfigurable multi-band microwave filters"，提出了一种多于两个频段的多频可 调带通滤波器，但是调节范围较小，体积较大。
[0006] 综上所述，已发表的文章或专利多涉及单频段可调带通滤波器，以及少部分涉及 双频可调带通滤波器，而涉及三频段可调带通滤波器的报道则极少，所提方法和结构以及 所实现的性能有限。实际应用中不仅要求滤波器的通带的中心频率可控的，也要求滤波器 的带宽也是可控。并且，随着移动通信系统的飞速发展，对器件的小型化的需求也越来越 大，因此高度集成化的三频带可调带通滤波器具有较大的应用前景。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种具有两个可电调 通带的三频带通滤波器，该滤波器的第一、二个通带是独立可电调的，第三个固定通带是可 控的，并且三个通带的带宽也是可控的，由于仅采用一个多模谐振器，所以在小型化方面具 有较大的优势。
[0008] 本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0009] 一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介 质基板、下层的接地金属板以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和 接地金属板，使微带线结构与接地金属板之间通过介质基板连接，其特征在于:所述微带线 结构包括一对左右对称的多模谐振器和一对左右对称的输入/输出馈电线，每个多模谐振 器包括一个开口环谐振器和一个枝节结构，所述开口环谐振器的开口处通过一组串联的变 容二极管连接，所述枝节结构呈"巾"字型，并加载在开口环谐振器的中心。
[0010] 作为一种优选方案，所述开口环谐振器的开口处的一组串联的变容二极管中间通 过一个偏置电阻接第一直流电压源。
[0011] 作为一种优选方案，所述枝节结构的中心枝节线下端经过两次弯折，增加了带内 耦合控制的自由度。
[0012] 作为一种优选方案，左边的多模谐振器中的枝节结构为第一枝节结构，右边的多 模谐振器中的枝节结构为第二枝节结构，所述第一枝节结构的右侧枝节线末端和第二枝节 结构的左侧枝节线末端分别加载一个变容二极管。
[0013] 作为一种优选方案，所述第一枝节结构的右侧枝节线末端和第二枝节结构的左侧 枝节线末端还分别加载一个固定电容;其中，所述第一枝节结构的右侧枝节线末端加载的 固定电容位于第一枝节结构的右侧枝节线末端加载的变容二极管之前，所述第二枝节结构 的左侧枝节线末端加载的固定电容位于第二枝节结构的左侧枝节线末端加载的变容二极 管之前。
[0014] 作为一种优选方案，所述第一枝节结构的右侧枝节线末端加载的变容二极管与固 定电容之间，以及第二枝节结构的左侧枝节线末端加载的变容二极管与固定电容之间分别 通过一个偏置电阻接第二直流电压源。
[0015] 作为一种优选方案，左边的多模谐振器中的开口环谐振器为第一开口环谐振器， 右边的多模谐振器中的开口环谐振器为第二开口环谐振器，所述第一开口环谐振器和第二 开口环谐振器的中心分别加载一个接地射频扼流圈。
[0016] 作为一种优选方案，所述一对左右对称的输入/输出馈电线分别为第一输入/输出 馈电线和第二输入/输出馈电线，所述第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电线均包 括一段终端短路微带线和一段终端开路微带线；
[0017] 所述第一输入/输出馈电线位于左边的多模谐振器左侧，在第一输入/输出馈电线 中，终端短路微带线的短路端位于第一开口环谐振器的上方，终端开路微带线的开路端位 于第一开口环谐振器的下方；
[0018] 所述第二输入/输出馈电线位于右边的多模谐振器右侧，在第二输入/输出馈电线 中，终端短路微带线的短路端位于第二开口环谐振器的上方，终端开路微带线的开路端位 于第二开口环谐振器的下方。
[0019] 作为一种优选方案，所述第一输入/输出馈电线的左侧设有第一输入/输出端口， 所述第二输入/输出馈电线的右侧设有第二输入/输出端口。
[0020] 作为一种优选方案，所述第一输入/输出端口和第二输入/输出端口上均具有一个 固定电容。
[0021 ]本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0022] 1、本实用新型采用了一对左右对称的多模谐振器，每个多模谐振器包括一个开口 环谐振器和一个"巾"字型枝节结构，且开口环谐振器和"巾"字型枝节结构都加载了变容二 极管，通过这对多模谐振器实现了具有两个可独立电调节的通带，三个频带的中心频率与 带宽可控的三频带带通滤波器，解决了多涉及可重构单频带通滤波器，涉及应用于三频系 统的可调带通滤波器相对较少，所提方法和结构以及所实现的性能有限的问题。
[0023] 2、本实用新型设计的具有两个可电调通带的三频带带通滤波器，由于仅仅采用了 一对多模谐振器(两个多模谐振器），在尺寸方面具有较大的优势，满足了实际应用中无线 通信系统对器件小型化的要求。
【附图说明】
[0024] 图1为本实用新型实施例1的多模谐振器结构图。
[0025] 图2为本实用新型实施例1的多模谐振器的奇模等效电路图。
[0026] 图3为本实用新型实施例1的多模谐振器的偶模等效电路图。
[0027] 图4为图3电路的奇模等效电路图。
[0028]图5为图3电路的偶模等效电路图。
[0029]图6为本实用新型实施例2的三频带通滤波器结构图。
[0030]图7为本实用新型实施例3的三频带通滤波器第二、三通带固定，第一通带可调的 S21仿真曲线图。
[0031]图8为本实用新型实施例3的三频带通滤波器第二、三通带固定，第一通带可调的 Sn仿真曲线图。
[0032]图9为本实用新型实施例3的三频带通滤波器第一、三通带固定，第二通带可调的 S21仿真曲线图。
[0033]图10为本实用新型实施例3的三频带通滤波器第一、三通带固定，第二通带可调的 Sn仿真曲线图。
[0034] 其中，卜微带线结构，2-第一开口环谐振器，3-第一枝节结构，4-第二开口环谐振 器，5-第二枝节结构，6-接地射频扼流圈，7-第一输入/输出馈电线，8-第二输入/输出馈电 线。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0036] 实施例1:
[0037]如图1所示，本实施例提出了一种多模谐振器，该多模谐振器包括一个开口环谐振 器和一个枝节结构，所述开口环谐振器的开口处(两个开口终端)用一个变容二极管Cn连接 起来，所述枝节结构呈"巾"字型，并加载在开口环谐振器的中心，枝节结构的两侧枝节线末 端分别加载一个变容二极管C V2，这样提出的多模谐振器在整体上形成一个"吊"字型，由于 该多模谐振器是关于PP'平面左右对称的，因此可以运用奇偶模分析方法对其进行模式分 析。
[0038] 为了便于分析，假设微带线的特性导纳Y4 = 4Y! = 2Y2 = 2Y3，物理长度1^+1^ = L3，如 图2和图3所示，分别为多模谐振器的奇模和偶模等效电路。从图2中可以看出，多模谐振器 的奇模等效电路相当于一个开路端加载有变容管Cn的四分之一波长谐振器，其谐振频率fi 与^+Δ U成反比，其中△ 1^为变容管Cn等效的微带线长度；因此，谐振频率可以由变容管 Cn进行调节。从图3中可以看出，谐振器的偶模等效电路也是左右对称的，因此，可以进一步 采用奇偶模分析法进行分析，图3电路的奇模和偶模等效电路分别如图4和图5所示，图4所 示的等效电路为传统的四分之一波长谐振器，谐振频率f3与微带线的物理长度L3(也即U+ L2)成反比，图5所示的等效电路为一端加载有变容二极管CV2的半波长谐振器，其谐振频率 f 2与L3+L4+L5+ Δ L2成反比，其中Δ L2为变容管CV2等效的微带线长度；因此，谐振频率f3可以 变容二极管C V2通过进行调节。
[0039] 实施例2:
[0040] 根据"W.Tang and J.-S.Hong，"Varactor-tuned dual-mode bandpass filters"，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol·58，no·8，pp·2213-2219，Aug.2010·" 的 分析，只要加载枝节在主传输线上的加载点是关于输入/输出端口对称的，无论加载在枝节 上的变容二极管是非对称加载，还是对称加载，达到的设计效果是一样的，为了减少变容管 的使用个数，将上述实施例1的多模谐振器中的枝节结构左侧的变容二极管C V2移除，形成枝 节结构上变容二极管的非对称加载。
[0041] 如图6所示，本实施例的三频带通滤波器包括上层的微带线结构1、中层的介质基 板（图中未示出）、下层的接地金属板（图中未示出）以及金属通孔（图中未示出），微带线结 构1和接地金属板都附着在介质基板上，所述金属通孔依次贯穿微带线结构1、介质基板和 接地金属板，使微带线结构1与接地金属板之间通过介质基板连接，所述微带线结构1包括 一对左右对称的多模谐振器和一对左右对称的输入/输出馈电线，整个微带线结构1呈现左 右对称；
[0042] 所述一对左右对称的多模谐振器中，左边的多模谐振器包括第一开口环谐振器2 和第一枝节结构3,右边的多模谐振器包括第二开口环谐振器4和第二枝节结构5,所述第一 开口环谐振器2和第二开口环谐振器4的开口处通过一组(两个）串联的变容二极管Cn连接， 所述第一枝节结构3和第二枝节结构5均呈"巾"字型，其中第一枝节结构3加载在第一开口 环谐振器2的中心，第二枝节结构5加载在第一开口环谐振器2的第二开口环谐振器4的中 心，所述第一开口环谐振器2和第二开口环谐振器4的中心分别加载一个接地射频扼流圈6， 接地射频扼流圈6作为直流接地用，并且能够防止射频信号短路到直流电源的地；
[0043] 所述第一开口环谐振器2的开口处的一组串联的变容二极管Cn中间，以及第一开 口环谐振器2的开口处的一组串联的变容二极管C V1均通过一个偏置电阻接第一直流电压源 Vcq，第一直流电压源VCC1可以为变容二极管Cn提供偏置电压，同时该偏置电阻也起到射频 扼流的作用；
[0044]所述第一枝节结构3和第二枝节结构5的中心枝节线下端经过两次弯折，增加了带 内耦合控制的自由度，第一枝节结构3的右侧枝节线末端加载一个固定电容Cdc和一个变容 二极管Cv2,第二枝节结构5的左侧枝节线末端也加载一个固定电容Cdc和一个变容二极管 C V2，固定电容CDC位于变容二极管CV2之前，起到了隔直的作用；
[0045]所述第一枝节结构3的右侧枝节线末端加载的变容二极管CV2与固定电容CDC之间， 以及第二枝节结构5的左侧枝节线末端加载的变容二极管CV2与固定电容CDC之间分别通过 一个偏置电阻接第二直流电压源V CC2,第二直流电压源VCC2可以为变容二极管CV2提供偏置电 压，同时该偏置电阻也起到射频扼流的作用；
[0046]所述一对左右对称的输入/输出馈电线分别为第一输入/输出馈电线7和第二输 入/输出馈电线8,所述第一输入/输出馈电线7和第二输入/输出馈电线8均包括一段终端短 路微带线和一段终端开路微带线，增加了提取外部品质因数的自由度；
[0047] 所述第一输入/输出馈电线7位于左边的多模谐振器左侧，在第一输入/输出馈电 线7中，终端短路微带线的短路端位于第一开口环谐振器的2上方，终端开路微带线的开路 端位于第一开口环谐振器2的下方;所述第二输入/输出馈电线8位于右边的多模谐振器右 侦I在第二输入/输出馈电线8中，终端短路微带线的短路端位于第二开口环谐振器4的上 方，终端开路微带线的开路端位于第二开口环谐振器4的下方；
[0048] 所述第一输入/输出馈电线7的左侧设有第一输入/输出端口Portl，所述第二输 入/输出馈电线8的右侧设有第二输入/输出端口 Port2,第一输入/输出端口 Portl和第二输 入/输出端口 P〇rt2均具有一个固定电容Cin，固定电容Cin也可以用来调节外部品质因数。
[0049] 本实施例的三频带通滤波器的第一通带由图3中的等效四分之一波长谐振器的谐 振频率f i形成，与图6中的微带线长度1^+1^+1^和变容二极管Cn有关，可以通过变容二极管 Cn的偏置电压(第一直流电压源V CC1为变容二极管Cn提供偏置电压)进行电调节，很明显， 第一通带的耦合系数可以由耦合长度1^和耦合间隙Si进行控制;三频带通滤波器的第三通 带由图4中的传统四分之一波长谐振器的谐振频率f 3形成，与图6中的微带线长度1^+1^+1^+ L4+U+U+L7有关，不随变容二极管Cn和CV2的变化而变化，属于固定通带;可以看出，第三通 带的耦合系数与耦合长度Li、L7和耦合间隙有关，当LjPSi确定后，也即确定了第一通 带的耦合系数，第三通带的耦合系数可以通过L?和&独立调节;三频带通滤波器的第二通带 由图5中的等效半波长谐振器的谐振频率f 2形成，不仅与图6中所有微带线的物理长度有 关，并受变容二极管CV2影响，不受变容二极管Cn的影响；因此，第二通带可以通过变容二极 管C V2的偏置电压(第二直流电压源VCC2为变容二极管CV2提供偏置电压)进行独立电调节，而 第二通带的耦合系数与耦合长度和耦合间隙Si、S 2、S3有关，当 确定了第一通带和第三通带的耦合系数，则第二通带的耦合系数可以由L9和&独立调节。综 上，提出的三频带通滤波器的中心频率是可以独立调节的，第一、二通带可以实现独立的电 调节，并且，在某种程度上来说，三个通带的带内耦合系数是独立可控的。
[0050] 通过以上分析可知，本实用新型通过实施一对新型多模谐振器，采用合适的馈电 结构，实现了中心频率和带宽均可控，并且第一、二通带可以电调的三频带带通滤波器。本 实用新型所包含的是具有两个通带的中心频率独立可电调，带宽可控的三频带带通滤波器 的设计原理，所述设计结构可以是微带、同轴线或其他结构。
[0051 ] 实施例3:
[0052]三频带通滤波器结构如图6所示，本实施例中使用的商业电磁仿真软件为安捷伦 公司的Advanced Design System(ADS)。三频带通滤波器选择加工在介电常数为2.55、厚度 为0.8mm、损耗角正切为0.0029的介质基板上，图6所示滤波器结构的具体尺寸如下表1所 示;在本实施例中固定电容采用村田公司的产品，变容二极管C V2前面的固定电容CDC起到了 隔直的作用，Cdc = 7pF，而输入/输出端口的固定电容Cin = 2.2pF。Cvi选用Skyworks公司的 SMV1405-074型号的变容二极管，〇2选用Skyworks公司的SMV1405-079LF型号的变容二极 管。
[0053]
[0054] 表1三频带带通滤波器尺寸
[0055] 如图7~图10分别为三频带通滤波器的仿真曲线。图7和图8所示的，分别为第二、 三通带固定，第一通带可调的S21 (S21表示输入端口到输出端口的正向传输系数)和Sn ( | Sn 表示输入端口的回波损耗)仿真曲线，可以看出，第二通带和第三通带的中心频率分别固定 在2.65GHz和3.5GHz处，第一通带的中心频率可以由1.25GHz调节到1.73GHz，相对可调范围 为32.2%，插入损耗为1.39-1.97dB，回波损耗大于15dB;调节过程中，第一通带的3dB绝对 带宽为135± 18MHz;图9和图10所示的，分别为第一、三通带固定，第二通带可调的S21和Sn 仿真曲线，可以看出，第一和第三通带的中心频率分别固定在1.58GHz和3.5GHz处，第二通 带的中心频率可以由2.41GHz调节到2.72GHz，相对调节范围为12.1 %，插入损耗为2.13dB-2.93dB，回波损耗大于15dB;调节过程中，第二通带的3dB绝对带宽为129±10MHz，第三通带 的3dB绝对带宽为150MHz，滤波器整体表现出较好的性能。
[0056]综上所述，本实用新型创新性的提出了具有两个可电调通带的三频带带通滤波 器，填补了目前可重构滤波器技术研究的一部分空白，提升了系统的集成度，该滤波器不仅 具有两个可电调节的通带，它的三个频带的中心频率都是独立可控的，并且带宽也是可控 的，更具灵活性，可以更好地满足现有的三频段可重构无线通信系统的应用。
[0057]以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本 实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利 的保护范围。
【主权项】
1. 一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，包括上层的微带线结构、中层的介质 基板、下层的接地金属板以及金属通孔，所述金属通孔依次贯穿微带线结构、介质基板和接 地金属板，使微带线结构与接地金属板之间通过介质基板连接，其特征在于:所述微带线结 构包括一对左右对称的多模谐振器和一对左右对称的输入/输出馈电线，每个多模谐振器 包括一个开口环谐振器和一个枝节结构，所述开口环谐振器的开口处通过一组串联的变容 二极管连接，所述枝节结构呈"巾"字型，并加载在开口环谐振器的中心。2. 根据权利要求1所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:所 述开口环谐振器的开口处的一组串联的变容二极管中间通过一个偏置电阻接第一直流电 压源。3. 根据权利要求1所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:所 述枝节结构的中心枝节线下端经过两次弯折。4. 根据权利要求1所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:左 边的多模谐振器中的枝节结构为第一枝节结构，右边的多模谐振器中的枝节结构为第二枝 节结构，所述第一枝节结构的右侧枝节线末端和第二枝节结构的左侧枝节线末端分别加载 一个变容二极管。5. 根据权利要求4所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:所 述第一枝节结构的右侧枝节线末端和第二枝节结构的左侧枝节线末端还分别加载一个固 定电容;其中，所述第一枝节结构的右侧枝节线末端加载的固定电容位于第一枝节结构的 右侧枝节线末端加载的变容二极管之前，所述第二枝节结构的左侧枝节线末端加载的固定 电容位于第二枝节结构的左侧枝节线末端加载的变容二极管之前。6. 根据权利要求5所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:所 述第一枝节结构的右侧枝节线末端加载的变容二极管与固定电容之间，以及第二枝节结构 的左侧枝节线末端加载的变容二极管与固定电容之间分别通过一个偏置电阻接第二直流 电压源。7. 根据权利要求1所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:左 边的多模谐振器中的开口环谐振器为第一开口环谐振器，右边的多模谐振器中的开口环谐 振器为第二开口环谐振器，所述第一开口环谐振器和第二开口环谐振器的中心分别加载一 个接地射频扼流圈。8. 根据权利要求7所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:所 述一对左右对称的输入/输出馈电线分别为第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电 线，所述第一输入/输出馈电线和第二输入/输出馈电线均包括一段终端短路微带线和一段 终端开路微带线； 所述第一输入/输出馈电线位于左边的多模谐振器左侧，在第一输入/输出馈电线中， 终端短路微带线的短路端位于第一开口环谐振器的上方，终端开路微带线的开路端位于第 一开口环谐振器的下方； 所述第二输入/输出馈电线位于右边的多模谐振器右侧，在第二输入/输出馈电线中， 终端短路微带线的短路端位于第二开口环谐振器的上方，终端开路微带线的开路端位于第 二开口环谐振器的下方。9. 根据权利要求8所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于:所 述第一输入/输出馈电线的左侧设有第一输入/输出端口，所述第二输入/输出馈电线的右 侧设有第二输入/输出端口。10.根据权利要求9所述的一种具有两个可电调通带的三频带通滤波器，其特征在于： 所述第一输入/输出端口和第二输入/输出端口上均具有一个固定电容。
【文档编号】H01P1/203GK205621828SQ201620292079
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】褚庆昕, 张史轩
【申请人】华南理工大学