一种频率可重构滤波功分器设计方法与流程

本发明涉及射频与微波，特别是一种频率可重构滤波功分器设计方法。

背景技术：

1、随着第五代移动通信（5g）、物联网（iot）、无线局域网（wlan）以及软件定义无线电等无线通信技术的迅猛发展，射频前端系统面临着日益严苛的性能要求；现代通信设备需要在多个频段之间灵活切换，同时还要兼顾小型化、低功耗和高集成度等设计目标；在此背景下，射频前端中的各类无源器件亟须从传统的单一功能、固定工作模式向多功能融合、频率可重构方向演进；

2、功率分配器和带通滤波器是射频前端电路中的两类核心无源器件，功分器负责将一路输入信号按照一定比例分配至多路输出，广泛应用于相控阵雷达、无线通信基站和测试测量等领域；带通滤波器则用于选择特定频段的信号通过并抑制带外干扰；在传统的射频前端架构中，功分器和滤波器通常作为独立的元器件分别设计，再通过级联方式连接。

3、但目前常见的解决方案存在诸多缺点，包括：现有频率可重构滤波功分器技术普遍存在电路结构复杂、元器件数量多的问题，为实现可重构功能往往需引入多个变容二极管、可调谐振器或复杂偏置网络，导致拓扑臃肿、设计难度大且成本高昂；在控制方式上，采用变容二极管的连续调谐方案需要精密稳定的模拟电压源，调谐精度要求苛刻且频率调谐范围有限，难以覆盖大跨度的多频段切换需求；在工作模式方面，现有方案大多仅支持单频连续调谐或固定双频设计，无法在两个独立频段之间实现离散切换并自由组合出多种单频与双频工作模式，难以灵活适配不同通信标准对频段的差异化需求；此外，多数现有设计将滤波功能与可重构功分功能作为相对独立的部分进行设计，融合深度不足，忽视了信道间串扰抑制和直流偏置隔离问题，且输出端口之间的隔离性能往往需要额外增加隔离网络才能保障，进一步增大了电路面积，在小型化集成度方面仍有较大提升空间。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提供了一种频率可重构滤波功分器设计方法，以克服现有相关技术所存在的所述技术问题。

2、为解决所述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种频率可重构滤波功分器设计方法，其包括提供y形结功分器结构，所述y形结功分器结构具有一个信号输入端口和两个信号输出端口；在第一输出端口与第一信号输出端之间设置第一支路，所述第一支路包括串联连接的第一发夹型带通滤波器和第一二极管开关，所述第一发夹型带通滤波器的工作频率为第一中心频率；在第二输出端口与第二信号输出端之间设置第二支路，所述第二支路包括串联连接的第二发夹型带通滤波器和第二二极管开关，所述第二发夹型带通滤波器的工作频率为第二中心频率；跨接隔离电阻于所述第一支路与所述第二支路之间；分别向所述第一二极管开关和所述第二二极管开关的控制端施加第一直流偏置电压和第二直流偏置电压，独立控制所述第一二极管开关和所述第二二极管开关的导通或截止；通过控制所述第一二极管开关和所述第二二极管开关的导通与截止组合，使所述功分器的工作频率在所述第一中心频率工作模式、所述第二中心频率工作模式，以及所述第一中心频率与所述第二中心频率同时工作的双频工作模式之间进行切换。

4、作为本发明所述一种频率可重构滤波功分器设计方法的一种优选方案，其中：所述第一中心频率和所述第二中心频率分别对应无线通信频谱中的两个不同频段，通过选取不同结构参数的所述第一发夹型带通滤波器和所述第二发夹型带通滤波器，使所述功分器适配任意两个预设的不同工作频段，实现跨频段频率重构。

5、作为本发明所述一种频率可重构滤波功分器设计方法的一种优选方案，其中：所述第一二极管开关和所述第二二极管开关均为pin二极管，所述pin二极管在正向偏置时等效为低阻抗导通状态以使对应支路接通，在零偏置或反向偏置时等效为高阻抗截止状态以使对应支路断开；所述第一二极管开关和所述第二二极管开关的通断状态组合形成四种不同的开关状态组合，其中三种有效状态分别对应所述三种工作模式，余下一种状态为全截止状态。

6、作为本发明所述一种频率可重构滤波功分器设计方法的一种优选方案，其中：通过分别控制所述第一直流偏置电压和所述第二直流偏置电压的电平状态，使所述第一二极管开关和所述第二二极管开关各自独立地工作在导通状态或截止状态；当仅有与所述第一二极管开关对应的直流偏置电压处于有效电平状态时，所述功分器工作于所述第一中心频率工作模式；当仅有与所述第二二极管开关对应的直流偏置电压处于有效电平状态时，所述功分器工作于所述第二中心频率工作模式；当与所述第一二极管开关和所述第二二极管开关对应的直流偏置电压同时处于有效电平状态时，所述功分器工作于所述双频工作模式；三种工作模式的切换由外部直流偏置电压的电平状态组合唯一确定。

7、作为本发明所述一种频率可重构滤波功分器设计方法的一种优选方案，其中：所述第一发夹型带通滤波器用于对所述第一支路中传输的信号进行带通滤波，使处于所述第一中心频率工作模式下的通带信号通过并抑制偏离所述第一中心频率的带外杂波信号，对所述第二支路对应频段的信号形成带外抑制以防止其串扰至所述第一支路；所述第二发夹型带通滤波器用于对所述第二支路中传输的信号进行带通滤波，使处于所述第二中心频率工作模式下的通带信号通过并抑制偏离所述第二中心频率的带外杂波信号，对所述第一支路对应频段的信号形成带外抑制以防止其串扰至所述第二支路；所述第一发夹型带通滤波器和所述第二发夹型带通滤波器各自具备直流隔离功能，用于阻断本支路的直流偏置电压回流至另一支路，避免直流偏置电压对另一支路中二极管开关工作状态造成干扰。

8、作为本发明所述一种频率可重构滤波功分器设计方法的一种优选方案，其中：所述隔离电阻跨接于所述第一支路与所述第二支路之间的y形结点处，当所述第一信号输出端和所述第二信号输出端的端口阻抗发生失配时，由阻抗不匹配所反射回来的信号能量通过所述隔离电阻以热能形式耗散吸收，从而保持所述y形结功分器结构在两个输出端口之间的隔离度，抑制输出端口之间的信号串扰，确保各项工作模式下输出端口之间的隔离性能满足预设指标。

9、作为本发明所述一种频率可重构滤波功分器设计方法的一种优选方案，其中：所述y形结功分器结构、所述第一支路、所述第二支路以及所述隔离电阻采用微带传输线结构实现，整体电路布设于同一介质基板的上表面，所述介质基板的下表面为接地金属层，所述第一发夹型带通滤波器和所述第二发夹型带通滤波器均由微带线弯折形成的发夹型谐振器结构构成，所述微带传输线的线宽、线长、弯折间距以及耦合间隙根据预设的端口阻抗和所需的工作频率确定；所述第一二极管开关和所述第二二极管开关分别串联接入所述第一支路和所述第二支路的微带传输线中，其控制端通过金属化过孔或键合引线引出至所述介质基板表面的偏置焊盘，用于连接外部直流偏置电源。

10、第二方面，本发明为进一步解决上述技术问题，实施例提供了一种频率可重构滤波功分器设计系统，其包括：y形结功分器结构，y形结功分器结构具有一个信号输入端口和两个信号输出端口，用于实现一路输入信号向两路输出信号的功率分配；第一支路，连接于y形结功分器结构的一个输出端口与第一信号输出端之间，第一支路包括串联连接的第一发夹型带通滤波器和第一二极管开关，第一发夹型带通滤波器的工作频率为第一中心频率；第二支路，连接于y形结功分器结构的另一个输出端口与第二信号输出端之间，第二支路包括串联连接的第二发夹型带通滤波器和第二二极管开关，第二发夹型带通滤波器的工作频率为第二中心频率；隔离电阻，跨接于第一支路与第二支路之间；第一直流偏置端，连接至第一二极管开关的控制端，用于接收外部施加的第一直流偏置电压以独立控制第一二极管开关的导通或截止；第二直流偏置端，连接至第二二极管开关的控制端，用于接收外部施加的第二直流偏置电压以独立控制第二二极管开关的导通或截止；第一二极管开关和第二二极管开关在各自的直流偏置电压控制下形成不同的导通与截止组合，频率可重构滤波功分器的工作频率响应于导通与截止组合的变化，在第一中心频率工作模式、第二中心频率工作模式，以及第一中心频率与第二中心频率同时工作的双频工作模式之间进行切换。

11、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种频率可重构滤波功分器设计方法的任一步骤。

12、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种频率可重构滤波功分器设计方法的任一步骤。

13、本发明的有益效果为：本发明以y形结功分器结合发夹型带通滤波器和pin二极管开关的简洁拓扑，在单一电路中实现功率分配、频率选择与频率可重构三种功能的深度融合，相比传统需要多套独立链路的方案，显著减少了射频前端元器件数量；通过两个pin二极管开关在外部直流高/低电平控制下的独立通断组合，能够以简单可靠的控制方式在第一中心频率单频、第二中心频率单频及双频同时工作三种模式之间自由切换，避免了现有变容二极管方案对精密模拟偏置电路的苛刻要求；各支路中的发夹型带通滤波器不仅对各自通带进行选频滤波和带外杂波抑制，同时对另一支路对应频段的信号形成天然带外抑制以防止信道间串扰，其自身具备的直流隔离功能还可阻断本支路偏置电压回流至另一支路，确保两个二极管开关状态独立可控互不干扰；跨接于y形结点处的隔离电阻在端口阻抗失配时能够吸收反射信号能量以维持输出端口间良好的隔离度，从支路间串扰抑制和端口间反射隔离两个层面全面保障器件性能；整体电路采用微带传输线结构布设于同一介质基板，发夹型谐振器的弯折布局进一步压缩了电路面积，具有结构紧凑、易于加工、一致性好、成本低廉的优势，且通过调整发夹型带通滤波器的结构参数即可适配任意两个预设的不同工作频段，适配性强，能够广泛应用于多频段无线通信基站、双频wlan设备、相控阵雷达t/r组件及软件定义无线电等射频前端系统中，在保证优异射频性能的前提下大幅降低了系统复杂度和制造成本，具有较强的工程实用价值。