专利名称：带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器的制作方法
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，具体涉及到一种带宽调节范围宽且性能可控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。然而近年来雷达和通信技术的快速发展对电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:(I)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，然而宽带可重构滤波器的研制方面国内外都是极其罕见。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，主要表现在回波损耗时大时小，通带纹波不均匀等方面，影响了系统整体响应的稳定性。本发明中所提到的滤波性能主要包括回波损耗、纹波特性、带外抑制度和插入损耗等。针对带宽调节范围小的问题，虽有文献研发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，因此在实际应用中受到了很大的限制。多模谐振器最早由Lei Zhu教授于2005年提出，由于单个谐振器中同时包含了多个谐振模式，所以被广泛应用到宽带滤波器的设计中。但是到目前为止还没有关于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的报道。针对中心频率和带宽调节时保持稳定滤波性能的问题，到目前为止也没有任何关于如何在中心频率和带宽调节时稳定或控制滤波性能的研究报道。除了上述两个普遍问题外，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，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和可调阻抗匹配电路的可重构带通滤波器，该可重构带通滤波器可以实现高达83%的频率调节范围和95%的带宽，同时在各个工作频率和带宽状态下都可以调节控制其滤波性能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为:一种带宽调节范围宽且性能可控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；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，中间层的下表面为接地金属；上层的微带结构由一个输入端口、一个输入馈电网络、一个输入可调阻抗匹配电路、一个十字形可调多模谐振器、一个输出可调阻抗匹配电路、一个输出馈电网络和一个输出端口顺次连接构成；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四个变容二极管组成，其中水平微带线和垂直微带线的两端分别连接一个变容二极管，具体为:十字形可调多模谐振器包括水平矩形微带线和垂直矩形微带线，水平微带线的一端连接第一变容二极管，另一端连接第二变容二极管；垂直微带线从水平微带线的中点垂直穿过，一端连接第三变容二极管，另一端连接第四变容二极管；输入可调阻抗匹配电路包括第五变容二极管和第一变容二极管，所述第五变容二极管和第一变容二极管均与十字形可调多模谐振器的水平微带线相连接；输出可调阻抗匹配电路包括第六变容二极管和第二变容二极管，所述第六变容二极管和第二变容二极管均与十字形可调多模谐振器的水平微带线的另一端相连接；输入馈电网络包括顺次连接的50欧姆矩形微带线和第一隔直电容，所述第一隔直电容的另一端与第五变容二极管相连接，输出馈电网络包括顺次连接的50欧姆矩形微带线和第二隔直电容，所述第二隔直电容的另一端与第六变容二极管相连接；输入端口和输出端口的特性阻抗均为50欧姆；所述的十字形可调多模谐振器左右镜像对称；输入可调阻抗匹配电路、输出可调阻抗匹配电路、输入馈电网络、输出馈电网络、输入端口、输出端口呈左右镜像对称分布；整个滤波器结构左右镜像对称；滤波器工作时，第一变容二极管、第二变容二极管可以等效为一个可变电抗和一个可变电容的并联，其中可变电抗部分分别参与构成了输入可调阻抗匹配电路、输出可调阻抗匹配电路，可变电容部分参与构成了十字形可调多模谐振器。上述的带宽调节范围宽且性能可控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，上述的带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器中，所述的十字形可调多模谐振器中的水平微带线长4 50mm,宽0.2 2_ ；垂直微带线宽0.2 3mm，处于水平微带线上面的部分长2 30mm，处于水平微带线下面的部分长I 20mm。所述的馈电网络中两个隔直电容的容值相同且都在6pF以上。上述介质基板的介电常数ε ^为2 10，高度为0.2 1mm。本发明设计的带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器中，所述的十字型可调多模谐振器可以实现较大的频率和带宽调节范围，解决了当前可重构滤波器带宽有限的问题；所述的十字型可调多模谐振器同时具有三个独立调节的极点，可以保证通带内均匀的纹波，降低插入损耗；所述的可调阻抗匹配电路能在调节过程中保证可调多模谐振器与馈电网络之间良好的阻抗匹配，使得回波损耗、带外抑制度、纹波特性等滤波性能可控。与现有技术相比，其显著优点为:I)本发明设计了微带线十字形可调多模谐振器和可调阻抗匹配电路，并将它们组合成了一种新型的具有宽频率和宽带宽调节范围且滤波性能可控的可重构带通滤波器；2)上述的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95%，远远超出了现有的电调滤波器，达到了宽带通信的标准；同时该可调谐振器可以实现较宽的频率调节范围；实测中调谐范围可达83%，高于现有的基于半导体变容二极管的其他设计；3)上述的微带线十字形可调多模谐振器的三个带内极点均可独立调节，通过平衡三个极点的频率，可以保证在不同的中心频率和带宽的工作状态下，均能保持通带内纹波均匀；4)上述的可调阻抗匹配电路可以调节可调多模谐振器与馈电网络之间的匹配，在较大范围内改变该滤波器的外部品质因数，从而影响了该可重构滤波器的滤波性能；本发明中所述的可重构带通滤波器的回波损耗及带外抑制度均可通过上述的可调阻抗匹配电路调节；实测中回波损耗可以被稳定控制在15dB左右，带外衰减控制在18dB左右；5)上述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，提高了通带的矩形系数，大大改善了可重构滤波器的选择性；6)由于本发明中所述的可重构带通滤波器不存在传统结构中对能量造成较大损耗的耦合结构，故具有较小的插入损耗；实测中插入损耗在0.95^3.5dB之间；7)与同阶的具有频率带宽调节能力的可重构滤波器相比，本可重构滤波器需要较少的控制直流电源，这是由可调多模谐振器的特性带来的；8)与现有其他设计方案相比，由于引入了上述的十字形可调多模谐振器，本可重构滤波器结构设计更为简洁，体积也更小。
图1是频率和带宽调节范围宽且性能可控的可重构带通滤波器的原理图。图2是图1中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偶模等效电路。图3b是图2中的十字形可调多模谐振器的奇模等效电路。
图4a是图2中的十字形可调多模谐振器的极点和零点随Ceff变化的关系图。图4b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5a是图1中的可重构带通滤波器调节阻抗匹配的原理图。图5b是图5a中调节阻抗匹配原理图的等效电路。图5c是图1中的可重构带通滤波器的外部品质因数与阻抗变换比Rz的关系图。图6a是滤波性能稳定、带宽保持不变、中心频率调节的传输特性和回波损耗曲线。图6b是滤波性能稳定、中心频率保持不变、带宽调节的传输特性和回波损耗曲线。图6c是中心频率和带宽保持不变、调节滤波性能时不同外部品质因数所对应的传输特性和回波损耗曲线。
具体实施例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，一种带宽调节范围宽且性能可控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；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，中间层的下表面为接地金属；上层的微带结构由一个输入端口、一个输入馈电网络、一个输入可调阻抗匹配电路、一个十字形可调多模谐振器、一个输出可调阻抗匹配电路、一个输出馈电网络和一个输出端口顺次连接构成；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四个变容二极管组成，其中水平微带线和垂直微带线的两端分别连接一个变容二极管，具体为:十字形可调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的一端连接第一变容二极管8，另一端连接第二变容二极管9 ;垂直微带线3从水平微带线2的中点垂直穿过，一端连接第三变容二极管11，另一端连接第四变容二极管12 ；输入可调阻抗匹配电路包括第五变容二极管7和第一变容二极管8，所述第五变容二极管7和第一变容二极管8均与十字形可调多模谐振器的水平微带线2相连接；输出可调阻抗匹配电路包括第六变容二极管10和第二变容二极管9，所述第六变容二极管10和第二变容二极管9均与十字形可调多模谐振器的水平微带线2的另一端相连接；输入馈电网络包括顺次连接的50欧姆矩形微带线I和第一隔直电容5，所述第一隔直电容5的另一端与第五变容二极管7相连接，输出馈电网络包括顺次连接的50欧姆矩形微带线4和第二隔直电容6,所述第二隔直电容6的另一端与第六变容二极管10相连接；输入端口和输出端口的特性阻抗均为50欧姆；所述的十字形可调多模谐振器左右镜像对称；输入可调阻抗匹配电路、输出可调阻抗匹配电路、输入馈电网络、输出馈电网络、输入端口、输出端口呈左右镜像对称分布；整个滤波器结构左右镜像对称；滤波器工作时，第一变容二极管8、第二变容二极管9可以等效为一个可变电抗和一个可变电容的并联，其中可变电抗部分分别参与构成了输入可调阻抗匹配电路、输出可调阻抗匹配电路，可变电容部分参与构成了十字形可调多模谐振器；具体为:如图5 (a)所示，第一变容二极管8等效为一个可变电抗jX和一个可变电容Crff的并联，其中可变电抗jX参与构成了输入可调阻抗匹配电路，可变电容Ceff参与构成了十字形可调多模谐振器；第二变容二极管9等效为一个可变电抗和一个可变电容的并联，其中可变电抗部分参与构成了输出可调阻抗匹配电路，可变电容部分参与构成了十字形可调多模谐振器。上述的带宽调节范围宽且性能可控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。上述的带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器中，所述的十字形可调多模谐振器中的水平微带线2长4 50mm,宽0.2 2mm ;垂直微带线3宽0.2 3mm,处于水平微带线上面的部分长2 30mm，处于水平微带线下面的部分长I 20mm。所述的馈电网络中两个隔直电容的容值相同且都在6pF以上。
上述介质基板的介电常数ε ^为2 10，高度为0.2 1mm。由于上述的十字形可调微带多模谐振器是对称结构，如图2所示，其中Ceff表示第一变容二极管8 (或第二变容二极管9)参与构成该十字形可调多模谐振器的部分电容值；因此可以利用奇偶模等效电路的方法计算其谐振频率。图3a为十字形可调多模谐振器的偶模等效电路。为了便于分析，选择Z1=2Z2，，对应的两个偶模谐振频率fel，f；2由下式解出:
权利要求
1.一种带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器，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基板上表面，中间层的下表面为接地金属； 上层的微带结构由一个输入端口、一个输入馈电网络、一个输入可调阻抗匹配电路、一个十字形可调多模谐振器、一个输出可调阻抗匹配电路、一个输出馈电网络和一个输出端口顺次连接构成；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四个变容二极管组成，其中水平微带线和垂直微带线的两端分别连接一个变容二极管，具体为:十字形可调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]的一端连接第一变容二极管[8]，另一端连接第二变容二极管[9];垂直微带线[3]从水平微带线[2]的中点垂直穿过，一端连接第三变容二极管[11]，另一端连接第四变容二极管[12]； 输入可调阻抗匹配电路包括第五变容二极管[7]和第一变容二极管[8]，所述第五变容二极管[7]和第一变容二极管[8]均与十字形可调多模谐振器的水平微带线[2]相连接；输出可调阻抗匹配电路包括第六变容二极管[10]和第二变容二极管[9]，所述第六变容二极管[10]和第二变容二极管[9]均与十字形可调多模谐振器的水平微带线[2]的另一端相连接；输入馈电网络包括顺次连接的50欧姆矩形微带线[I]和第一隔直电容[5]，所述第一隔直电容[5]的另一端与第五变容二极管[7]相连接，输出馈电网络包括顺次连接的50欧姆矩形微带线[4]和第二隔直电容[6]，所述第二隔直电容[6]的另一端与第六变容二极管[10]相连接；输入端口和输出端口的特性阻抗均为50欧姆；所述的十字形可调多模谐振器左右镜像对称；输入可调阻抗匹配电路、输出可调阻抗匹配电路、输入馈电网络、输出馈电网络、输入端口、输出端口呈左右镜像对称分布；整个滤波器结构左右镜像对称；滤波器工作时，第一变容二极管[8]、第二变容二极管[9]可以等效为一个可变电抗和一个可变电容的并联，其中可变电抗部分分别参与构成了输入可调阻抗匹配电路、输出可调阻抗匹配电路，可变电容部分参与构成了十字形可调多模谐振器。
2.根据权利要求1所述的带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器，其特征在于，上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。
3.根据权利要求1所述的带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器，其特征在于，所述的十字形可调多模谐振器中的水平微带线[2]长4 50mm,宽0.2 2mm ;垂直微带线[3]宽0.2 3mm，处于水平微带线上面的部分长2 30mm，处于水平微带线下面的部分长I 20mm，所述的馈电网络中两个隔直电容的容值相同且都在6pF以上。
4.根据权利要求1、2或3所述的带宽调节范围宽且性能可控的射频可重构带通滤波器，其特征在于:介质基板的介电常数ε r为2 10,高度为0.2 1mm。
全文摘要
本发明涉及一种新型的带宽调节范围宽且性能可控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、一个输入可调阻抗匹配电路、一个十字形可调多模谐振器、一个输出可调阻抗匹配电路、一个输出馈电网络和一个输出端口依次连接构成。其中，十字形可调多模谐振器由相互垂直的两条微带线和端接的四个变容二极管组成；输入、输出可调阻抗匹配电路均由一个串联变容二极管和一个并联变容二极管连接组成。该可重构滤波器具有中心频率和带宽调节范围宽、滤波性能可控等方面的优势，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。
文档编号H01P7/08GK103117426SQ20131003124
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者车文荃, 毛金荣, 顾黎明, 冯文杰, 王晴, 李飞, 周家根, 马亚林 申请人:南京理工大学