一种微波可重构三频段带通滤波器的制作方法

本发明涉及一种微波可重构三频段带通滤波器。

背景技术：

随着现代通信技术的飞速发展，可重构滤波器由于兼容性好，成本低廉而越来越受到重视。近年来，国内外已经开发出一些不同类型的可重构滤波器。但这些课重构滤波器基本都集中在双频带可重构滤波器方面，这并不能满足现代通信系统对更多频段可重构滤波器的需求。当然，最近也有人设计了一种应用于无线通信系统的可重构三频带通滤波器，该滤波器通过打开和关闭pin二极管来实现双频和三频带通特性的切换。但是，这种滤波器只能工作在固定频道的三频段滤波器模式下，并不能提供连续可调的通带范围。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种微波可重构三频段带通滤波器；该滤波器不但可以提供连续可调的通带范围，而且还能生成多个传输零点，进一步提高了滤波器的频道选择性。

为了达到上述目的，本发明一种微波可重构三频段带通滤波器，包括有电路板，所述电路板上面设有两个以级联形式耦合的三模谐振器单元；所述三模谐振器单元由短路短截线谐振器、半波长微带线、变容二极管和开路短截线谐振器构成，所述变容二极管放置于半波长微带线的中心点，该变容二极管与开路短截线谐振器连接。

本发明不但可以提供连续可调的通带范围，而且还能生成多个传输零点，进一步提高了滤波器的频道选择性。此结构性能优良，调谐方便，利于应用推广于各类无线通信系统；其实用性强。

附图说明

图1为三频段谐振器的节本结构示意图；

图2为奇模等效电路；

图3为偶模等效电路；

图4为偶模等效电路的第一部分；

图5为偶模等效电路的第二部分；

图6为谐振电路的s参数仿真曲线图；

图7为不同偏置电压下的s参数仿真曲线图；

图8为本发明微波可重构三频段带通滤波器的结构示意图；

图9～10为本发明仿真与测试结果对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1为三频段谐振器的节本结构示意图，参照图1，其由一根半波长微带线l1，一个短路短截线谐振器l2，变容二极管和开路短截线谐振器l3构成。由于所提出的谐振器几何结构是对称的，因此可以利用偶模和奇模分析方法来分析它的谐振特性。对于奇模激励，沿着a-a'平面有一个零电压面。在奇模激励下，可以用如图2所示的半边等效电路来说明。根据微波传输线理论，此时的奇模输入导纳公式推导如下：

其中θ1＝βl1表示半波长微带线的电长度。根据共振条件yin,odd＝0，该结构的第一奇模谐振频率可计算如下：

其中εeff表示基板的有效介电常数，c是自由空间中的光速。从式(2)可以看出，奇模谐振频率不受任何负载短截线的影响。

对于偶模激励，因为没有任何电流流过a-a'平面。因此，我们可以将中间的电路结构平分以获得如图3所示的等效电路，其包含两个等效谐振回路：一个短路谐振器和一个与变容二极管连接的开路短截线谐振器。

对于图4所示的短截线谐振器，其输入阻抗可以表示为：

其中θi＝βli表示特定微带线的电长度。从谐振条件yin,even1＝0可以推导出：

为简化起见，假设y2＝2y1，则上式可以推导为：

或

其中，λg表示在偶模谐振的情况下，在介质基板上的导波波长。因此，短截线谐振器的第一谐振频率可以推导为：

对于与变容二极管相连的开路短截线，如图5所示，其输入阻抗可以推导为：

其中

其中cv是连接在传输线和开路短截线中间的变容二极管的电容值。根据谐振条件im[yin,even1]＝0，其谐振频率可以确定为：

从(2)，(7)和(11)可以看出，fodd的数值只由l1决定，不受其他任何参数影响；feven1的数值由l1和l2共同决定，也不受cv影响；而feven2不仅受到l1，l3的影响，同时也受到cv的控制。因此，施加到变容二极管的偏置电压的变化必将导致feven2的变化，使得第三通带的中心频率连续可调成为可能。因此，当l1，l2和l3的数值固定不变以后，第二偶模谐振频率feven2就在cv的单独控制下实现连续可调。

因此，三模谐振器可用于设计具有一个可控频段和两个固定频段的三频段带通滤波器。其设计过程如下：首先，根据式(2)选择适当长度的l1，然后根据式(7)，选择长度l2，再根据式(11)选择长度l3，最后根据式(9)和(11)确定变容二极管cv上的偏置电压。

为了验证上述分析，我们使用hfss软件对所设计的滤波器进行了全波电磁仿真。需要说明的是，因为有源电路不能直接使用hfss软件进行仿真，因此我们可以将变容二极管在不同偏置电压响应下的s参数模型导入hfss软件，从而让计算机仿真成功执行。本设计中使用的硅变容二极管是skyworks的smv1408。

在所有的仿真过程中，半波长微带线l1的长度总是固定的。图6示出了在变容二极管cv的电容值和开路短截线谐振器l3的长度也同时固定的情况下，谐振电路的s参数仿真曲线图。在这种情况下，奇模谐振频率fodd显然是固定不变的，而第一偶模谐振频率feven1可以通过改变短路短截线谐振器l2的长度来调谐改变，同时第二偶模谐振频率feven2几乎保持不变。通过改变短路短截线谐振器l2的值从4mm到8mm，对应的谐振频率feven1可以实现从1.39到1.72ghz连续变化。

图7示出了具有两个固定频段和一个可调谐频段的谐振器电路仿真结果。在这种情况下，开路短截线谐振器l3的长度和短路短截线谐振器l2的长度都是固定的，而变容二极管cv的偏置电压从1v变化到3v。从图7可以看出，第一通带中心频率fodd固定在1.070ghz不变，第二通带中心频率feven1固定在1.070ghz。同时，第三通带中心频率feven2由加载在开路短截线处的变容二极管的偏置电压值来控制。随着偏置电压的变化，第三通带的中心频率feven2可以实现实时调整。从仿真结果可以看出，第三通带中心频率feven2可以从1.70ghz到1.98ghz实现连续可调。

图8为本发明微波可重构三频段带通滤波器的实施例结构示意图，参照图8，本发明一种微波可重构三频段带通滤波器，包括有电路板，所述电路板上面设有两个以级联形式耦合的三模谐振器单元；所述三模谐振器单元由短路短截线谐振器l2、半波长微带线l1、变容二极管和开路短截线谐振器l3构成，所述变容二极管放置于半波长微带线l1的中心点，该变容二极管与开路短截线谐振器l3连接。本实施例的有些微带线是以蜿蜒形式布线的，以减小电路板尺寸。实施例电路板厚度为0.8mm，相对介电常数为2.33，总尺寸小于24mm×19mm，或0.16λg×0.13λg，λg表示在第一通带中心频率处的基板介质上的导波波长。

在图8的实施例中，滤波器的机械尺寸按下列参数设定(均为毫米)：l0＝19.5，l1＝44，l2＝6，l3＝12.3，w0＝2.4，w1＝1.0，w2＝1.0，w3＝1.0，s1＝0.55。图9和图10显示了滤波器的仿真和测量结果，它具有两个固定的通带和一个可调谐的通带，测量结果与仿真结果吻合良好。从图9和图10可以看出，如果保持短路短截线谐振器l2和开路短截线谐振器l3的长度固定不变，滤波器第一通带中心频率几乎恒定在1.45ghz，3db相对带宽(fbw)为5.52％；同时滤波器第二通带中心频率固定在2.49ghz，3db相对带宽为9.84％。滤波器第三通带中心频率由变容二极管的偏置电压控制。从测量结果可以发现，第三通带中心频率可以在3.16-3.39ghz范围内自由调节，3db相对带宽几乎恒定保持为2.35％。如图9所示，在第三通带的整个可调谐范围内，滤波器插入损耗从2.24到2.46db波动。同样，在整个调谐范围内，滤波器的损耗优于-13db，如图10。另外，所设计的三频带可重构滤波器产生了多个传输零点，这进一步提高了滤波器的频带选择性。

因此，从图8-10可以看出，滤波器的第一和第二通带中心频率可以分别固定在1.45ghz和2.49ghz。而第三通带中心频率可以在3.16至3.39ghz频率范围内连续可调，相对调谐范围为7.03％，同时第三通带的相对带宽和通带形状几乎保持不变。本实施例不但可以提供连续可调的通带范围，而且还能生成多个传输零点，进一步提高了滤波器的频道选择性。此结构性能优良，调谐方便，利于应用推广于各类无线通信系统；其实用性强。

以上已将本发明做一详细说明，但显而易见，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进，而不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围。