专利名称：具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及中心频率可调的平衡式射频电调带通滤波器，具体涉及一种可应用在多频带、宽频带和可重构射频前端系统中的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器。
背景技术：
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。例如在认知无线电体系中，为了充分利用和融合各种不同的无线信道和标准，射频前端需要工作在不同的频率上，这就需要中心频率可调谐的可重构射频前端。射频电调带通滤波器是可重构射频前端的重要组成部分，因此日益受到重视。在这个方面，目前已经有一些研究报道，多种不同的调谐器件也已经被使用，例如半导体变容二极管、射频微机电系统(RF MEMS)电容管以及铁电薄膜材料变容管等。不管采用哪种调谐器件，射频电调带通滤波器所面临的问题，主要包括(1)例如当调谐通带的中心频率时，通带的相对带宽也会随之发生变化，而在很多应用中无线信道的相对带宽是恒定不变的，因此我们需要在调谐中心频率的时候使通带的相对带宽保持恒定不变。(2)系统周围环境噪声的干扰。环境噪声的存在导致滤波器的性能下降，从而影响到射频前端的整体性能。因此必须采取一些抑制环境噪声的方法。针对中心频率调谐时带宽恒定的问题，目前已经提出了一些方法。根据“M. Sanchez-Renedoj R. Gomez—Garcia， J. I. Alonsoj and C. Briso-Rodriguezj Tunable comb line 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，通过在谐振器之间插入介质来控制耦合系数，从而能够满足带宽恒定。根据 “S. J. Park, and G. Μ. Rebeizj Low-loss two-pole tunable filters with three differ en t predefined bandwidth characteristics, IEEE Trans. Mi crow. Theory Tech.，vol. 56，no. 5，pp. 1137-1148，May, 2008. ” 所提供的分析可知，釆用独立的电耦合和磁耦合机制来控制耦合系数的变化，能够实现特定的带宽特性。根据“Μ. A. El-Tanani, and G. Μ. Rebeiz, High -Performance 1. 5_2. 5~GHz RF-MEMS Tunable Filters for Wireless Applications, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 58, no. 6，pp. 1629-1637, Jun, 2010. ”所提供的分析可知，采用电磁混合耦合机制同样能够满足带宽恒定。然而上面所提出的方法都是单端口电路，对于环境噪声的抑制基本无能为力。平衡结构电路对环境噪声有较好的抑制效果，因此平衡电路在现代通信系统中得到广泛应用。当前大部分的研究主要集中在阻带扩展、共模抑制、拓宽通带或者使用差模响应获得双频带。根据 “J. Shi, and Q. Xue, Balanced Bandpass Filters Using Center-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，中间加载电阻的方式可
以吸收共模信号。但上面所述的平衡式滤波器设计都是频率不可调的。到目前为止还没有任何研究报告是关于具有相对带宽控制和共模抑制特性的平衡式射频电调滤波器。
实用新型内容为了达到恒定相对带宽，并对环境噪声这类共模信号进行抑制，本实用新型提供了一种具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，该平衡式带通滤波器不仅中心频率调谐时相对带宽恒定，而且对共模信号具有很好的抑制作用。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案包括具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，包括上层的微带结构，中间层介质基板和下层的接地金属；上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；上层微带结构包括四个半波长谐振器、两个输入馈电网络、两个输出馈电网络、两个输入端口和两个输出端口，两个输入端口分别与两个输入馈电网络连接，两个输出端口分别与两个输出馈电网络连接，两个输入馈电网络分别与第一半波长谐振器耦合， 第一半波长谐振器再分别与第二半波长谐振器和第四半波长谐振器耦合，第二半波长谐振器和第四半波长谐振器再分别与第三半波长谐振器耦合，第三半波长谐振器再分别与两个输出馈电网络耦合，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中间均加载有用于吸收共模信号的不同大小的电容，上述所有半波长谐振器的两端均有变容二极管。所述第一半波长谐振器由第一变容二极管、第一微带线、第二微带线、第二变容二极管顺次连接构成，第一变容二极管和第二变容二极管的阳极均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第三半波长谐振器与第一半波长谐振器结构相同；第二半波长谐振器由第三变容二极管、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第四变容二极管顺次连接构成，第三变容二极管和第四变容二极管的阳极均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第四半波长谐振器与第二半波长谐振器结构相同且位于第一半波长谐振器和第三半波长谐振器之间，第二半波长谐振器的第三微带线和第一半波长谐振器的第一微带线平行设置构成级间耦合结构；第二半波长谐振器的第五微带线和第三半波长谐振器的第六微带线平行设置构成级间耦合结构。上述四个半波长谐振器一起排布成左右、上下均对称的结构；两个输入馈电网络中的第一输入馈电网络由第八微带线、第九微带线、第十微带线顺次连接构成， 第十微带线与第一半波长谐振器的第一微带线平行设置构成级间耦合结构，第十微带线末端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第二输入馈电网络的结构与第一输入馈电网络相同；两个输入端口中的第一输入端口由第七微带线构成，第七微带线与第八微带线始端连接，第二输入端口与第一输入端口结构相同，两个输入馈电网络与两个输出馈电网络结构相同，两个输入端口和两个输出端口结构相同；两个输入馈电网络、两个输出馈电网络、两个输入端口、两个输出端口和上述四个半波长谐振器一起排布成左右、上下均对称的结构。所述第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中间加载的所述电容的另一端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。第一半波长谐振器中间加载的所述电容一端与第一半波长谐振器连接，另一端连接有第十一微带线，第十一微带线另一端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。[0013]所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，当第一输入端口和第二输入端口输入差模信号时，整个滤波器在第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中点所在的直线位置上形成一个电隔离墙。由于这种结构在谐振器之间的耦合主要是电耦合，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器在中间位置没有电流，接在第一半波长谐振器和第三半波长谐振器中间加载的所述电容和第十一微带线上可以忽略。所以在差模激励下，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器等效为两个相同的四分之一波长的谐振器，同时和第二半波长谐振器耦合形成带通滤波器结构；当第一输入端口和第二输入端口输入共模信号时，整个滤波器在第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中点所在的直线位置上形成一个磁隔离墙。第一半波长谐振器和第三半波长谐振器在中间位置有电流流通，接在第一半波长谐振器和第三半波长谐振器中间加载的所述电容和第十一微带线上有电流流通。第一半波长谐振器和第三半波长谐振器等效的两个四分之一波长的谐振器需要考虑中间加载的所述电容和第十一微带线。由于第一半波长谐振器和第三半波长谐振器上的中间加载的所述电容不一样，实际工作等效的两个四分之一波长谐振器的谐振频率不同，使得共模信号不能通过，达到抑制的效果。为进一步实现本实用新型目的，所述具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器的第一微带线长度为7. 6mm,宽度为0. 6mm ；第三微带线长度为5. 2mm,宽度为0. 6mm ； 第四微带线长度为5. 6mm,第八微带线长度为9. 2mm,宽度为0. 8mm,第九微带线长度为4mm， 宽度为1. 2mm,第十微带线长度为4. 9mm,宽度为0. 3mm,第十一微带线长度为1. 8mm,宽度为 0. 5mm，第一半波长谐振器中间加载的所述电容大小为47pF，第三半波长谐振器中间加载的所述电容大小为3pF，第一微带线和第十微带线之间的距离为0. 15mm，第一微带线和第三微带线之间的距离为0. 65mm。与现有技术相比，本实用新型采用新型的平衡结构和半波长谐振器级间耦合结构，中心频率调谐时相对带宽带宽保持恒定且能很好的抑制共模干扰信号的电调带通滤波器。总体上具有如下优点和效果(1)由于使用平衡结构设计，该带通滤波器对于差模信号能正常工作，而对于共模信号则有较好的抑制作用，因此对于环境噪声这类干扰具有免疫功能。实施例中实测的共模抑制水平都超过_23dB。(2)通过对输入馈电网络以及级间耦合方式的设置，可以实现在中心频率调谐时相对带宽的恒定，能够满足不同应用需求。
图1是具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器FBW的原理图；图2是FBW差模等效电路；图3a是FBW差模情况下的等效四分之一波长谐振器；图北是FBW差模情况下的等效半波长谐振器；图4是图3a中四分之一波长谐振器谢振频率、电容值和微带线长度的关系；图5是图北中半波长谐振器谢振频率、电容值和微带线长度的关系；图6是FBW共模等效电路；图7a是FBW共模情况下第一谐振器的等效四分之一波长谐振器；[0026]图7b是FBW共模情况下第三谐振器的等效四分之一波长谐振器；图8a是FBW的差模传输特性曲线；图8b是FBW的差模回波损耗曲线；图8c是FBW的差模传输特性曲线的局部截图；图8d是FBW单接微带线的共模传输特性曲线；图8e是FBW单接电容的共模传输特性曲线；图8f是FBW接微带线和电容的共模传输特性曲线。
具体实施方案
以下结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。如图1所示，具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器FBW包括上层的微带结构，中间层介质基板和下层的接地金属；上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；上层微带结构包括四个半波长谐振器、两个输入馈电网络、 两个输出馈电网络、两个输入端口和两个输出端口，两个输入端口分别与两个输入馈电网络连接，两个输出端口分别与两个输出馈电网络连接，两个输入馈电网络分别与第一半波长谐振器耦合，第一半波长谐振器再分别与第二半波长谐振器和第四半波长谐振器耦合， 第二半波长谐振器和第四半波长谐振器再分别与第三半波长谐振器耦合，第三半波长谐振器再分别与两个输出馈电网络耦合，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中间均加载有用于吸收共模信号的不同大小的电容，上述所有半波长谐振器的两端均有变容二极管。所述第一半波长谐振器由第一变容二极管5、第一微带线6、第二微带线7、第二变容二极管8顺次连接构成，第一变容二极管5和第二变容二极管8的阳极均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第三半波长谐振器与第一半波长谐振器结构相同；第二半波长谐振器由第三变容二极管11、第三微带线12、第四微带线13、第五微带线14、第四变容二极管15顺次连接构成，第三变容二极管11和第四变容二极管15的阳极均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第四半波长谐振器与第二半波长谐振器结构相同且位于第一半波长谐振器和第三半波长谐振器之间，第二半波长谐振器的第三微带线12和第一半波长谐振器的第一微带线6平行设置构成级间耦合结构；第二半波长谐振器的第五微带线14和第三半波长谐振器的第六微带线16平行设置构成级间耦合结构。上述四个半波长谐振器排布成左右、上下均对称的结构；两个输入馈电网络中的第一输入馈电网络18由第八微带线2、第九微带线3、第十微带线4顺次连接构成，第十微带线4与第一半波长谐振器的第一微带线6平行设置构成级间耦合结构，第十微带线4末端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第二输入馈电网络19的结构与第一输入馈电网络18相同；两个输入端口中的第一输入端口 IN由第七微带线1构成，第七微带线1与第八微带线2始端连接，第二输入端口 IN’与第一输入端口 IN结构相同，两个输出馈电网络与两个输入馈电网络结构相同，两个输出端口和两个输入端口结构相同；两个输入馈电网络、两个输出馈电网络、两个输入端口、两个输出端口和上述四个半波长谐振器一起排布成左右、上下均对称的结构。第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中间加载的所述第一电容9和第二电容17均有一端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。第一半波长谐振器中间加载的所述第一电容9 一端与第一半波长谐振器连接，另一端连接有第十一微带线10，第十一微带线10另一端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。两个输入端口和两个输出端口的传输线的特性阻抗都为50 Ω。调整滤波器的各项参数，使滤波器在整个结构上达到平衡。当第一输入端口 IN和第二输入端口 IN’输入差模信号时，整个滤波器在第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中点所在的直线位置上形成一个电隔离墙。由于这种结构级间耦合主要是电耦合，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器在中间位置没有电流，接在第一半波长谐振器和第三半波长谐振器中间加载的所述第一电容9、第二电容17和第十一微带线10可以忽略。因此在差模激励情况下，滤波器结构等效为图2所示的带通滤波器结构。此时，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器都等效为相同的四分之一波长谐振器，第二半波长谐振器不变。图 3a和北给出了差模情况下等效的四分之一波长谐振器和第二半波长谐振器。根据“A. R. Brown, and G. Μ. Rebeiz, A varactor-tuned RF filter, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. , vol. 48，no. 7，pp. 1157-1160，Jul, 2000. ”所提供的分析可知，在图 3a 中，当四分之一波长谐振器谐振时，从四分之一波长谐振器左端看过去的导纳Ydtunl的虚部等于零，对于给定的一个电压，加载变容二极管的整个谐振器的谐振频率
权利要求1.具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于包括上层的微带结构，中间层介质基板和下层的接地金属；上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；上层微带结构包括四个半波长谐振器、两个输入馈电网络、两个输出馈电网络、两个输入端口和两个输出端口，两个输入端口分别与两个输入馈电网络连接，两个输出端口分别与两个输出馈电网络连接，两个输入馈电网络分别与第一半波长谐振器耦合，第一半波长谐振器再分别与第二半波长谐振器和第四半波长谐振器耦合，第二半波长谐振器和第四半波长谐振器再分别与第三半波长谐振器耦合，第三半波长谐振器再分别与两个输出馈电网络耦合，第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中间均加载有用于吸收共模信号的不同大小的电容，上述所有半波长谐振器的两端均有变容二极管。
2.根据权利要求1所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于所述第一半波长谐振器由第一变容二极管、第一微带线、第二微带线、第二变容二极管顺次连接构成，第一变容二极管和第二变容二极管的阳极均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第三半波长谐振器与第一半波长谐振器结构相同；第二半波长谐振器由第三变容二极管、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第四变容二极管顺次连接构成，第三变容二极管和第四变容二极管的阳极均穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第四半波长谐振器与第二半波长谐振器结构相同且位于第一半波长谐振器和第三半波长谐振器之间， 上述四个半波长谐振器一起排布成左右、上下均对称的结构；两个输入馈电网络中的第一输入馈电网络由第八微带线、第九微带线、第十微带线顺次连接构成，第十微带线与第一半波长谐振器的第一微带线平行设置构成级间耦合结构，第十微带线末端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连，第二输入馈电网络的结构与第一输入馈电网络相同；两个输入端口中的第一输入端口由第七微带线构成，第七微带线与第八微带线始端连接，第二输入端口与第一输入端口结构相同，两个输入馈电网络与两个输出馈电网络结构相同，两个输入端口和两个输出端口结构相同；两个输入馈电网络、两个输出馈电网络、两个输入端口、两个输出端口和上述四个半波长谐振器一起排布成左右、上下均对称的结构。
3.根据权利要求2所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于第一半波长谐振器和第三半波长谐振器的中间加载的所述电容的另一端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。
4.根据权利要求2所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于第一半波长谐振器中间加载的所述电容一端与第一半波长谐振器连接，另一端连接有第十一微带线，第十一微带线另一端穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。
5.根据权利要求2所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于第二半波长谐振器的第三微带线和第一半波长谐振器的第一微带线平行设置构成级间耦合结构；第二半波长谐振器的第五微带线和第三半波长谐振器的第六微带线平行设置构成级间耦合结构。
6.根据权利要求2所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于两个输入端口和两个输出端口的传输线的特性阻抗都为50 Ω。
7.根据权利要求2 6任一项所述的具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器，其特征在于，所述第一微带线长度为7. 6mm,宽度为0. 6mm ；第三微带线长度为5. 2mm,宽度为0. 6mm ；第四微带线长度为5. 6mm,第八微带线长度为9. 2mm,宽度为0. 8mm,第九微带线长度为4mm，宽度为1. 2mm,第十微带线长度为4. 9mm,宽度为0. 3mm,第十一微带线长度为 1. 8mm,宽度为0. 5mm，第一半波长谐振器中间加载的所述电容大小为47pF，第三半波长谐振器中间加载的所述电容大小为3pF，第一微带线和第十微带线之间的距离为0. 15mm，第一微带线和第三微带线之间的距离为0. 65mm。
专利摘要本实用新型公开了具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器。该带通滤波器由上层的微带结构，中间层介质基板和下层的接地金属组成。上层微带结构采用平衡电路，包括四个半波长谐振器、两个输入馈电网络、两个输出馈电网络、两个输入端口和两个输出端口；四个半波长谐振器都由微带线和两端连接的变容二极管组成；第一半波长谐振器中间接电容和微带线，第三半波长谐振器中间接电容；第二半波长谐振器和第四半波长谐振器弯折上下对称；整个滤波器结构上下镜像对称。本实用新型的平衡式射频电调滤波器实现中心频率调谐时相对带宽恒定、能抑制共模干扰，可用于无线通信的可重构射频前端。
文档编号H01P1/203GK202259613SQ201120177138
公开日2012年5月30日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者李园春, 章秀银, 胡斌杰, 黄勋 申请人:华南理工大学