一种可调衰减的平衡滤波器的制作方法

1.本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种可调衰减的平衡滤波器。


背景技术：

2.滤波器作为一种频率选择器件，能够使有用信号近乎无衰减的通过，同时抑制工作频带以外无用的信号和噪声干扰信号，降低各通信频道间的信号干扰，从而保障通信设备的正常工作，在现代无线通信系统中起着重要的作用。与传统双端口滤波器相比，平衡滤波器作为一种双线传输结构，具有较好的共模抑制能力，能够实现更好的抗噪声干扰能力，进而提高通信系统的信噪比和灵敏度，在无线通信领域也发挥了重要作用。
3.石墨烯结构指碳原子以sp2杂化连接，按二维蜂窝状的晶格结构排列而成的二维薄膜。石墨烯特殊的排列方式和电子杂化方式，使其拥有极其优异的电学性质、光学性质、热学性质、力学性质等。石墨烯在微波频段具有表面方阻电可调特性，可以通过调节外加偏置电压改变石墨烯的表面阻抗，这一特性使得石墨烯被广泛应用于可调微波器件与电路中。
4.目前传统设计具有可调衰减的平衡滤波器需要将平衡滤波器和可调衰减器进行级联，其尺寸偏大，不利于小型化的设计要求。而且传统可调衰减器通过电阻衰减网络或传输网络中的电阻的可控替代(pin管等)及有源热敏元件的引入来完成，整体衰减器的电路复杂度较高，设计方案复杂且成本不可控。
5.在平衡滤波器设计的同时，基于石墨烯纳米板在微波频段的表面方阻可调特性引入可调衰减的功能，完成具有可调衰减平衡滤波器的设计，进一步提高器件的集成度。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可调衰减的平衡滤波器，实现平衡滤波器的衰减可调功能，同时在不影响性能的基础上减小器件尺寸，提高了器件的集成度，结构简单，经济性和实用性强。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种可调衰减的平衡滤波器，包括介质基板和石墨烯纳米板；
9.其中，所述介质基板的上表面两侧对称设置有微带馈线结构，微带馈线结构之间设置有微带谐振结构，所述微带谐振结构靠近介质基板中心轴线的一侧连接所述石墨烯纳米板的一侧，石墨烯纳米板的另一侧连接有金属片，所述介质基板的下表面设置有金属地板。
10.优选地，所述微带馈线结构采用两个关于介质基板中心轴线轴对称且开口相背的u型微带线。
11.优选地，所述微带谐振结构包括关于介质基板中心轴线镜像对称的两个第一谐振器、两个第二谐振器和两个第三谐振器，所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器沿着介质基板中心轴线依次排列设置。
12.优选地，所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器之间通过耦合缝隙进行容性耦合，并通过连接线进行感性耦合。
13.优选地，所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器均采用四分之一波长阶梯阻抗谐振器。
14.优选地，所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器包括依次连接的低阻抗线g2、高阻抗线g1和方形打孔接地传输线g0。
15.优选地，所述石墨烯纳米板包括关于介质基板中心轴线镜像对称的两个第一石墨烯纳米板、两个第二石墨烯纳米板和两个第三石墨烯纳米板，所述第一石墨烯纳米板、第二石墨烯纳米板和第三石墨烯纳米板沿着介质基板中心轴线依次排列设置。
16.优选地，所述金属地板上刻蚀有关于介质基板中心轴线轴对称的矩形缝隙线，所述矩形缝隙线内设有第一焊点和第二焊点，矩形缝隙线外的金属地板上设有第三焊点，所述第二焊点与电源线连接，第三焊点与地线连接，第一焊点通过通孔与金属片电连接用于给金属片提供偏置电压。
17.优选地，所述通孔为圆形。
18.优选地，所述金属片关于介质基板中心轴线轴对称。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
20.本发明提供一种可调衰减的平衡滤波器，相较于现有的具有可调衰减的平衡滤波器，需要通过平衡滤波器和可调衰减器的级联实现可调衰减功能，本发明利用石墨烯纳在微波频段主要表现为电阻的特性，且其表面阻抗可以随外加电压发生变化的特点，将导电率可调、体积小、且制备所得的初始方阻低的石墨烯纳米板加载在微带谐振结构的开路端，此时石墨烯纳米板等效为一个可变电阻器与微带谐振结构串联，导致谐振器输入阻抗实部不为零，当改变石墨烯纳米板上的偏置电压，可变电阻器的阻值随之改变，实现平衡滤波器的衰减可调。本发明所述的可调衰减的平衡滤波器在不影响性能的基础上减小了尺寸，提高了系统的集成度，而且在实现调控方面具有易于集成、灵活度高，调控频率范围广的优点。其结构简单合理，成本可控，容易实现，能充分发挥石墨烯的良好的电学特性。
附图说明
21.图1是本发明可调衰减的平衡滤波器整体结构示意图；
22.图2是本发明介质基板上表面结构示意图；
23.图3是本发明介质基板上表面的各结构位置尺寸图；
24.图4是本发明四分之一波长阶梯阻抗谐振器结构示意图；
25.图5是本发明介质基板下表面结构示意图；
26.图6是本发明实施例中差模回波损耗s参数仿真图和实测图；
27.图7是本发明实施例中差模插入损耗s参数仿真图和实测图；
28.图8是本发明实施例中共模回波损耗s参数仿真图和实测图；
29.图9是本发明实施例中共模插入损耗s参数仿真图和实测图。
30.图中：介质基板1、微带馈线结构2、输入馈线结构21、输出馈线结构22、微带谐振结构3、第一谐振器31、第二谐振器32、第三谐振器33、第一耦合缝隙41、第二耦合缝隙42、第一连接线51、第二连接线52、金属地板6、第一焊点61、第二焊点62、第三焊点63、石墨烯纳米板
7、第一石墨烯纳米板71，第二石墨烯纳米板72、第三石墨烯纳米板73、金属片8。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的原理和特征做进一步的详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
32.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
34.本发明提供一种可调衰减的平衡滤波器，如图1所示，包括介质基板1、微带馈线结构2、微带谐振结构3、金属地板6、石墨烯纳米板7、金属片8。
35.所述介质基板1的上表面印制有微带馈线结构2、微带谐振结构3和金属片8，所述微带馈线结构2为两个关于轴线a-a’轴对称且开口相背的u型微带线，用于实现馈电特性。
36.其中，如图1所示，所述轴线a-a’为沿一侧u型微带线至另一侧u型微带线方向的介质基板1中心轴线。
37.如图2所示，所述两个u型微带线之间设有微带谐振结构3，所述微带谐振结构3包括关于轴线a-a’镜像对称的两个第一谐振器31，两个第二谐振器32以及两个第三谐振器33；所述第一谐振器31、第二谐振器32、第三谐振器33沿着轴线a-a’上下排列，均为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。
38.如图4所示，所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器由高阻抗线g1、低阻抗线g2和方形打孔接地传输线g0三者连接而成；所述微带谐振结构3不同谐振器(即第一谐振器31、第二谐振器32和第三谐振器33)之间通过低阻抗线g2之间的第一耦合缝隙41、第二耦合缝隙42实现容性耦合，通过高阻抗线g1之间的第一连接线51、第二连接线52实现感性耦合。
39.如图5所示，所述介质基板下表面印制有金属地板6，所述金属地板上刻蚀有关于轴线a-a’轴对称的矩形缝隙线60，所述矩形缝隙线60内设有第一焊点61和第二焊点62，矩形缝隙线60外的金属地板上设有第三焊点63；所述第二焊点62与电源线连接，第三焊点63与地线连接，通过第一焊点61正上方的介质基板1的通孔给金属片8加偏置电压，所述金属片8关于轴线a-a’轴对称，其平行于轴线a-a’的两侧与石墨烯纳米板7相连接，将偏置电压加到石墨烯纳米板7上。
40.如图2所示，所述石墨烯纳米板7设在介质基板1的上表面上，包括关于轴线a-a’镜像对称的两个第一石墨烯纳米板71，两个第二石墨烯纳米板72以及两个第三石墨烯纳米板73；所述第一石墨烯纳米板71，第二石墨烯纳米板72以及第三石墨烯纳米板73远离轴线a-a’的一侧分别与第一谐振器31、第二谐振器32、第三谐振器33相连接，靠近轴线a-a’的一侧都与金属片8相连接。
41.本发明中设计了一种可调衰减的平衡滤波器，相较于现有的具有可调衰减的平衡滤波器，需要通过平衡滤波器和可调衰减器的级联实现可调衰减功能，本发明利用石墨烯纳在微波频段主要表现为电阻的特性，且其表面阻抗可以随外加电压发生变化的特点，将导电率可调、体积小、且制备所得的初始方阻低的石墨烯纳米板7加载在微带谐振结构3的开路端，此时石墨烯纳米板7等效为可变电阻器与微带谐振结构3串联，导致谐振器输入阻抗实部不为零，当改变石墨烯纳米板7上的偏置电压，可变电阻器的阻值随之改变，实现平衡滤波器的衰减可调。本发明所述的可调衰减的平衡滤波器在不影响性能的基础上减小了尺寸，提高了系统的集成度，而且在实现调控方面具有易于集成、灵活度高，调控频率范围广的优点。其结构简单合理，成本可控，容易实现，能充分发挥石墨烯的良好的电学特性。
42.实施例
43.本实施例中提供一种基于石墨烯纳米片的具有可调衰减的平衡滤波器，其输入端口和输出端口分别用sma头焊接，以便接入测试或者实用器件。
44.参考图1，为根据本实施例的一种基于石墨烯纳米板的具有可调衰减的平衡滤波器的结构示意图，包括有介质基板1、微带馈线结构2、微带谐振结构3、金属地板6、石墨烯纳米板7以及金属片8。
45.所述介质基板1采用相对介电常数3.66，损耗因子为0.009，厚度为0.508mm的rogers4350材料。
46.所述介质基板1的上表面的结构如图2和图3所示，介质基板1的上表面印制有微带馈线结构2、微带谐振结构3和金属片8。所述微带馈线结构2包括输入馈线结构21和输出馈线结构22，所述输入馈线结构21和输出馈线结构22是两个关于轴线a-a’轴对称且开口相背的u型微带线，该u型微带线由一条垂直交叉于轴线a-a’的微带底和两条平行于轴线a-a’的微带臂组成。
47.所述输入馈线结构21和输出馈线结构22之间有微带谐振结构3；所述微带谐振结构3包括有关于轴线a-a’镜像对称的两个第一谐振器31、两个第二谐振器32、两个第三谐振器33；所述第一谐振器31、第二谐振器32、第三谐振器33沿着轴线a-a’上下排列，均为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。
48.所述四分之一波长阶梯阻抗谐振器的结构如图4所示，由方形打孔接地传输线g0、直线型高阻抗微带线g1和直线型低阻抗微带线g2相连接而成；所述方形打孔接地传输线g0是在其正下方介质基板1上打通孔，从而实现接地的作用；所述直线型高阻抗微带线g1远离轴线a-a’一端接方形打孔接地传输线g0，作为四分之一波长阶梯阻抗谐振器短路端，该端磁场占主导作用，靠近轴线a-a’一端接直线型低阻抗传输线g2；所述直线型低阻抗传输线g2靠近轴线a-a’一端作为四分之一波长阶梯阻抗谐振器开路端与石墨烯纳米板7相连接，该端电场占主导作用。
49.所述第一谐振器31和第二谐振器32二者的直线型低阻抗传输线g2通过第一耦合缝隙41分隔，以实现第一谐振器31和第二谐振器32之间的容性耦合；所述第二谐振器32和第三谐振器33二者的直线型低阻抗传输线g2通过第二耦合缝隙42分隔，以实现第二谐振器32和第三谐振器33之间的容性耦合。
50.所述第一谐振器31和第二谐振器32二者的直线型高阻抗传输线g1通过平行于轴线a-a’的第一连接线51相连接，以实现第一谐振器31和第二谐振器32之间的感性耦合；所
述第二谐振器32和第三谐振器33二者的直线型高阻抗传输线g1通过平行于轴线a-a’的第二连接线52相连接，以实现第二谐振器32和第三谐振器33之间的感性耦合。
51.所述介质基板1的下表面的结构如图5所示，介质基板1下表面印制有金属地板6，所述金属地板6上刻蚀有关于轴线a-a’轴对称的矩形缝隙线60，该矩形缝隙线60上设有第一焊点61和第二焊点62，二者连线平行于轴线a-a’并通过电感连接；所述矩形缝隙线60外的金属地板6上有第三焊点63，所述第三焊点63和第二焊点62二者连线垂直于轴线a-a’方向，并通过电容连接；所述第二焊点62用于连接电源线，所述第三焊点63用于连接地线，通过第一焊点61正上方的介质基板1的通孔给金属片8加偏置电压；所述金属片8关于轴线a-a’轴对称，其平行于轴线a-a’的两侧与石墨烯纳米板7相连接，将偏置电压加到石墨烯纳米板7上；所述石墨烯纳米板7包括关于轴线a-a’镜像对称的两个第一石墨烯纳米板71、两个第二石墨烯纳米板72和两个第三石墨烯纳米板73；所述第一石墨烯纳米板71、第二石墨烯纳米板72和石墨烯纳米板73远离轴线a-a’一端分别与第一谐振器31、第二谐振器32、第三谐振器33的开路端相连接，靠近轴线a-a’一端与金属片8连接。
52.本发明的工作原理为：
53.由于本发明的结构水平对称，差模和共模工作时，具有可调衰减的平衡滤波器的对称面a-a’分别等效为一个理想的电璧和磁壁。
54.当差模工作时，对称面a-a’等效为理想电璧，即短路状态，此时差模电路等效的标准耦合线的虚部阻抗为：
[0055][0056]
当电长度θ＝π/2时，差模电路等效的标准耦合线的虚部阻抗为：
[0057][0058]
根据传输线理论，差模电路的平衡四分之一波长耦合线将显示为带通耦合线。
[0059]
当共模工作时对称面a-a’等效为理想磁壁，即开路状态，共模电路等效的标准耦合线的虚部阻抗在整个频率范围内等于0或jx
l
，这表明共模电路的平衡耦合线表现为全阻耦合线，并且能够实现宽阻带特性。
[0060]
相邻四分之一波长阶梯阻抗谐振器之间的耦合方式为混合耦合，电耦合通过低阻抗传输线g2之间的第一耦合缝隙41、第二耦合缝隙42实现，磁耦合通过高阻抗传输线g1之间的第一连接线51、第二连接线52实现。差模工作情况下，当混合耦合中的电耦合占主导作用时产生通带左侧的零点，当混合耦合中的磁耦合占主导作用时产生通带右侧的零点。
[0061]
石墨烯纳米片是一种小体积的电阻可调材料，具有导电率可调、体积小、制备所得的初始方阻低的特点。在本设计方案中，石墨烯纳米板等效为可变电阻器，与微带四分之一阶梯阻抗谐振器相串联，导致谐振器输入阻抗的实部不为零，当改变石墨烯纳米板7上的偏置电压时，可变电阻器的阻值随之改变，实现平衡滤波器的衰减可调。
[0062]
本实施例中，该基于石墨烯纳米板的具有可调衰减的平衡滤波器的设计参数如下表和图3所示，整体面积为28.5
×
42.1mm。
[0063]
参数表(单位：mm)
[0064][0065]
下面结合仿真实验以及测试结果，对本发明的技术效果作进一步说明：
[0066]
仿真实验采用电磁仿真软件hfss_19.0，在2.5-3.1ghz范围内，对本发明的差模响应进行仿真，在0.5-6ghz范围内，对本发明的共模响应进行仿真，得到回波损耗s11和插入损耗s21的仿真曲线图，差模回波损耗仿真结果见附图6，差模插入损耗仿真结果见附图7；共模回波损耗仿真结果见附图8，共模插入损耗仿真结果见附图9。
[0067]
本实施例中测量实验使用矢量网络分析仪n5230a，对本发明进行了两个测量实验。
[0068]
采用直流法测试电阻，对石墨烯纳米板7加直流偏置电压实现阻抗调控，当偏置电压由0v增加至4v时，石墨烯纳米片的电阻由200ω降低至20ω左右，阻抗调控范围接近10倍。
[0069]
实验1测试了当石墨烯纳米板7加不同的偏置电压时，本发明的差模回波损耗和差模插入损耗差模回波损耗测量实验结果见附图6，差模插入损耗测量实验结果见附图7。
[0070]
实验2测试了石墨烯纳米板7加不同的偏置电压时，本发明的共模回波损耗和共模插入损耗共模回波损耗测量实验结果见附图8，共模插入损耗测量实验结果见附图9。
[0071]
图6～图9中，横坐标表示频率，单位是ghz，纵坐标表示仿真和实测的s参数，单位是db；虚线表示实测结果曲线，实线表示仿真结果曲线。
[0072]
仿真与实测结果分析：
[0073]
从附图6和附图7可以看到，对于差模信号来说，该差分滤波器的工作中心频率为2.7ghz。当谐振器开路端不加载石墨烯纳米板7，通带内的最小插入损耗为1.6db，整个通带内差模回波损耗大于20db。当谐振器开路端加载石墨烯纳米板7，并调节石墨烯纳米板7上的偏置电压从4v降低到2.7v时，石墨烯纳米板7的方阻从20ω增大到80ω，通带内的插入损耗随着石墨烯纳米板7方阻的增大而增大，从4.5db逐渐增大到10.5db；差模回波损耗随着石墨烯纳米板7方阻的增大而增大，但仍然小于-15db。
[0074]
从附图6和附图7可以看到，对于共模信号来说，当谐振器开路端不加载石墨烯纳米板7时，在0-6ghz的频率范围内共模回波损耗大于-0.5db，共模插入损耗大于
45db。当谐振器开路端加载石墨烯纳米板7，并调节石墨烯纳米板7的偏置电压从4v降低到2.7v时，石墨烯纳米板7方阻从20ω增大到80ω，0-6ghz的频率范围内，共模回波损耗随着石墨烯纳米板方阻的增大而减小，最大变化值为0.4db；共模插入损耗随着石墨烯纳米板方阻的增大而增大，最大变化值为2.3db，证明当谐振器开路端加载石墨烯纳米板7时，调节其偏置电压改变石墨烯纳米板7的方阻时，可以实现差模插入损耗的可控调节，而不影响共模的抑制度。
[0075]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。