一种高频可重构微带带通滤波器的制作方法

1.本发明涉及通信滤波器件，尤其涉及一种高频可重构微带带通滤波器。


背景技术：

2.带通滤波器作为无线通信系统的重要组成部分，被用以实现系统工作频段选择，同时保护系统不受干扰信号的影响。为了同时满足系统对不同频段的应用需求，提出了可重构滤波器的思想。可重构滤波器通过引入调谐元件实现对滤波性能的灵活重构，这不仅可以显著增强系统灵活性，还能实现系统小型化，降低成本。
3.在现有的各类可重构带通滤波器中，基于变容二极管调谐的可重构微带带通滤波器因其具有结构紧凑、调谐速度快以及可连续调谐等优点而备受青睐。然而，现有技术中的各类变容二极管调谐可重构微带带通滤波器大部分都工作在较低频率范围，适用于10ghz以上频段的变容二极管调谐可重构微带带通滤波器仍然较少，且尚未实现对中心频率、相对带宽以及传输零点的完全可控。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述问题，提供一种变容二极管调谐的高频可重构微带带通滤波器。
5.本发明的目的是这样实现的，提供一种高频可重构微带带通滤波器，该滤波器包括级联的低通滤波单元和高通滤波单元，低通滤波单元包括设置于基板底层金属层的多个缺陷地单元，以及设置于基板顶层金属层的微带传输线；多个缺陷地单元中的部分缺陷地单元上加载有变容二极管，所述基板顶层金属层还设置有用于对所述变容二极管的偏置状态进行控制的偏置网络，通过金属通孔将所述偏置网络连接至缺陷地单元，所述微带传输线的一端连接所述高通滤波单元。
6.优选的，每个缺陷地单元均由基板底层金属层上刻蚀的两个方形槽和连接这两个方形槽的两个长条形凹槽形成，每个缺陷地单元中心形成一个长方形金属条带。
7.优选的，每个变容二极管均加载在对应缺陷地单元的右侧长条形凹槽的中轴线位置，变容二极管的阴极连接在缺陷地单元中心的长方形金属条带上，阳极连接在底层金属层的接地平面上。
8.优选的，设置有九个所述缺陷地单元，相邻两个缺陷地单元之间保持相同间距，从而形成沿微带线长度方向的周期性排列；从中心位置的缺陷地单元到两边的缺陷地单元，缺陷地单元的整体尺寸逐渐减小，九个所述缺陷地单元形成轴对称结构。
9.优选的，所述微带传输线包括设置于所述缺陷地单元正上方的主微带传输线，主微带传输线的长度方向与缺陷地单元的排布方向相同，主微带传输线两端分别通过50欧姆微带线连接输入端以及高通滤波单元，主微带传输线的阻抗值小于50欧姆。
10.优选的，仅在位于中心的五个缺陷地单元上加载有变容二极管。
11.优选的，所述偏置网络包括五条偏置通路，每个变容二极管上连接一条偏置通路，
每个偏置通路上设置有两个偏置电阻r，五个变容二极管中的中间三个变容二极管由偏置电压v1控制，两侧的两个变容二极管由控制电压v2控制。
12.优选的，高通滤波单元包括一条主传输线和加载在主传输线上的多个谐振枝节构成，每个谐振枝节上各加载有一对以背靠背形式连接的变容二极管，且每个谐振枝节上加载有一条用于控制所述谐振枝节上的变容二极管的偏置状态的偏置电路。
13.优选的，所述主传输线包括依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线，第一微带线通过第一变容二极管连接低通滤波单元的微带传输线，第一微带线和第二微带线之间通过第二变容二极管连接，第二微带线和第三微带线之间通过第三变容二极管连接，第三微带线和第四微带线之间通过第四变容二极管连接，第四微带线和第五微带线之间通过第一固定电容连接，第五微带线通过第二固定电容连接输出微带线；所述第二、第四和第五微带线上分别连接有一个谐振枝节，第一和第三微带线上加载有偏置电路。
14.优选的，所述主传输线上还连接有多个接地电阻，用以实现变容二极管的直流接地。
15.本发明的显著进步性至少体现在：
16.提出的一种基于变容二极管的可重构微带带通滤波器，通过新型可重构微带滤波电路设计，可在10ghz以上的高频范围内实现了中心频率、相对带宽以及传输零点完全可控的优良可重构滤波性能，为高频可重构系统的设计提供了一条新思路。进一步的，利用高通滤波单元与低通滤波单元级联性能带通滤波器的方法，实现了高度灵活的可重构特性，通过改变变容二极管的偏置状态，可以使该滤波器在多种工作模式中切换，还可以根据实际需要切换成全阻模式，显著增强系统的灵活性。此外，分别使用缺陷地技术和微带技术设计低通滤波单元和高通滤波单元，进一步降低了滤波器的带内插损，提高了选择性，同时实现了极宽的阻带范围和极高的阻带抑制水平。
附图说明
17.图1为本发明实施例的滤波器的基板顶层和底层电路结构示意图；
18.图2为本发明实施例的基板顶层电路结构示意图；
19.图3为本发明实施例的基板底层电路结构示意图；
20.图4为本发明实施例的高频可重构微带带通滤波器的s参数测试曲线图；
21.图5为本发明实施例的高频可重构微带带通滤波器实物的俯视图；
22.图6为本发明实施例的本发明实施例的高频可重构微带带通滤波器实物的仰视图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步的阐述说明，应该说明的是，本发明的实施方式并不限于所提供的实施例。
24.参阅图1－6所示，本发明提供如下实施例：
25.在本发明实施例方案中，提供一种高频可重构微带带通滤波器，该滤波器包括级联的低通滤波单元和高通滤波单元，低通滤波单元包括设置于基板底层金属层的多个缺陷
地单元，以及设置于基板顶层金属层的微带传输线；多个缺陷地单元中的部分缺陷地单元上加载有变容二极管，所述基板顶层金属层还设置有用于对所述变容二极管的偏置状态进行控制的偏置网络，通过金属通孔将所述偏置网络连接至缺陷地单元，所述微带传输线的一端连接所述高通滤波单元。进一步的，高通滤波单元包括一条主传输线和加载在主传输线上的多个谐振枝节构成，每个谐振枝节上各加载有一对以背靠背形式连接的变容二极管，且每个谐振枝节上加载有一条用于控制所述谐振枝节上的变容二极管的偏置状态的偏置电路。在本实施例方案中，利用高通滤波单元与低通滤波单元级联性能带通滤波器的方法，实现了高度灵活的可重构特性，通过改变变容二极管的偏置状态，可以使该滤波器在多种工作模式中切换，这些模式包括：
①
固定左侧边带调节中心频率；
②
固定右侧边带调节中心频率；
③
固定中心频率调节带宽；
④
固定带宽调节中心频率；
⑤
全阻状态，由此，显著增强了带通滤波器装置的灵活性。进一步的，本实施例的带通滤波器分别使用缺陷地技术和微带技术设计低通滤波单元和高通滤波单元，进一步降低了滤波器的带内插损，提高了选择性，同时实现了极宽的阻带范围和极高的阻带抑制水平。
26.参阅图1、图2和图3所示，作为优选的实施方案，每个缺陷地单元均由基板底层金属层上刻蚀的两个方形槽和连接这两个方形槽的两个长条形凹槽形成，每个缺陷地单元中心形成一个长方形金属条带。所述长方形金属条带通过所刻蚀的凹槽实现与地平面金属的隔离。应该说明的是，所述地平面金属是指基板底层金属层中，缺陷地单元外部的金属，其作为接地平面。
27.作为优选的，位于中心位置周围的五个缺陷地单元上分别对应加载有变容二极管cv11，cv12，cv13，cv14，cv15，通过变容管cv11，cv12，cv13，cv14，cv15控制滤波器右侧通带的截止频率以及右侧传输零点的位置；进一步的，位于左右两侧的四个缺陷地单元不加载二极管，其作用是为了抑制寄生通带，提高滤波器的阻带抑制特性。
28.作为进一步的优选，每个变容二极管均加载在对应缺陷地单元的右侧长条形凹槽的中轴线位置，变容二极管的阴极连接在缺陷地单元中心的长方形金属条带上，阳极连接在底层金属层的接地平面上。进一步的，对应形成有五条偏置通路，每个变容二极管上连接一条偏置通路。作为一种具体的，所述长方形金属条带通过一个偏置电阻r连接形成于刻蚀槽内的方形金属块，方形金属块通过金属过孔连接基板顶层金属层的金属块，所述金属块通过另一偏置电阻连接偏置电压，从而形成一条偏置通路。进一步优选的，五个变容二极管中的中间三个变容二极管由偏置电压v1控制，两侧的两个变容二极管由控制电压v2控制。通过改变偏置电压v1和v2，即可实现对上述低通滤波单元滤波特性的连续调节。
29.作为优选的，设置有九个所述缺陷地单元，相邻两个缺陷地单元之间保持相同间距，从而形成沿微带线长度方向的周期性排列；从中心位置的缺陷地单元到两边的缺陷地单元，缺陷地单元的整体尺寸逐渐减小，九个所述缺陷地单元形成轴对称结构。本实施例中，通过缺陷地单元形成周期性排列可以显著提高低通滤波器的选择性与带外抑制特性，各缺陷地单元尺寸逐渐过渡，可以实现更宽的阻带范围。
30.作为优选的，所述微带传输线包括设置于所述缺陷地单元正上方的主微带传输线，主微带传输线的长度方向与缺陷地单元的排布方向相同，主微带传输线两端分别通过50欧姆微带线连接输入端以及高通滤波单元，主微带传输线的阻抗值小于50欧姆(即主微带传输线宽度大于50欧姆微带线)，以获得较大的对地电容效应。
31.作为优选的，所述主传输线包括依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线，第一微带线通过变容二极管cv211连接低通滤波单元的微带传输线，第一微带线和第二微带线之间通过变容二极管cv212连接，第二微带线和第三微带线之间通过变容二极管cv231连接，第三微带线和第四微带线之间通过变容二极管cv232连接，第四微带线和第五微带线之间通过固定电容cf11连接，第五微带线通过固定电容cf12连接输出微带线；其中，变容二极管cv211和cv212的阴极分别连接在第一微带线的两端，为一对背对背形式连接的变容二极管，变容二极管cv231和cv232的阴极分别连接在第三微带线的两端，为另一对背对背形式连接的变容二极管；设置有三个谐振枝节，所述三个谐振枝节分别连接在第二、第四和第五微带线上，更为具体的，第一谐振枝节配置为包括背对背形式连接的变容二极管cv222和cv221，变容二极管cv222的阳极连接第二微带线，变容二极管cv221的阳极通过连接金属通孔实现与基板底层金属层的连接，变容二极管cv222和cv221的阴极通过电阻连接偏置电压v4，同样的，第二谐振枝节配置为包括背对背形式连接的变容二极管cv242和cv241，变容二极管cv242的阳极连接第四微带线上，变容二极管cv241的阳极通过连接金属通孔实现与基板底层金属层的连接，变容二极管cv242和cv241的阴极通过电阻连接偏置电压v6；第三谐振枝节配置为包括背对背形式连接的变容二极管cv252和cv251，变容二极管cv252的阳极连接第五微带线上，变容二极管cv251的阳极通过连接金属通孔实现与基板底层金属层的连接，变容二极管cv252和cv251的阴极通过电阻连接偏置电压v7。可以理解的是，本实施例中，通过调节偏置电压v4，v6，v7可改变变容二极管cv221，cv222，cv241，cv242，cv251，cv252的容值，从而可以控制滤波器左侧通带的截止频率以及左侧传输零点的位置；进一步的，第一微带线上通过电阻连接偏置电压v3，第三微带线上通过电阻连接偏置电压v5，变容二极管cv211，cv212，cv231，cv232用以实现滤波器调谐过程中的匹配。所述主传输线上还连接有多个接地电阻，用以实现变容二极管的直流接地。
32.上述方案中，所有变容二极管的偏置状态均由外加偏置电压控制，通过调节外加偏置电压的大小，可以改变变容二极管的电容值，并以此实现对滤波器性能的灵活重构。参阅图5和图6所示分别为本发明实施例的高频可重构微带带通滤波器实物的俯视图和仰视图。
33.下面对上述实施例的高频可重构微带带通滤波器进行性能测试，基板材料为罗杰斯5880，厚度为20mil。二极管cv11，cv12，cv13，cv14，cv15选用macom公司的mavr－011020－1411型号变容二极管，二极管cv211，cv212，cv221，cv222，cv231，cv232，cv241，cv242，cv251，cv252选用macom公司的mavr－000120－1411型号变容二极管。电容cf11和cf12选用atc公司的定值贴片电容。电阻选用封装型号0402的贴片电阻，阻值均为100k欧姆。
34.经过仿真优化设计后得到的优选电路尺寸参数为：从中心位置到端部的五个缺陷地单元的方形槽宽度分别设置为：ls1＝1.45mm，ls2＝1.35mm，ls3＝1.1mm，ls4＝0.95mm.ls5＝0.7mm，长方形金属条的宽度wp＝0.5mm，相邻两个长方形金属条的中心间距du＝2mm，低通滤波单元的主微带传输线的宽度以及长方形金属条的长度均为lm＝2.1mm，主微带传输线的长度wm＝19mm，缺陷地单元的长条形凹槽的宽度sg＝0.3mm，第一至第五微带线的长度均为lp＝2mm，第一至第四微带线中相邻两个微带之间的间距为0.3mm，第四与第五微带线间的间距为0.4mm。
35.图4展示了本发明的s参数测试结果，其中，图4(a)和4(b)为第一种工作模式测试结果，即固定左侧边带调节中心频率；图4(c)和4(d)为第二种工作模式测试结果，即固定右侧边带调节中心频率；图4(e)和4(f)为第三种工作模式测试结果，即固定中心频率调节带宽；图4(g)和4(h)为第四种工作模式测试结果，即固定带宽调节中心频率；图4(i)为第五种工作模式测试结果，即全阻状态。可以看出，本发明成功在10ghz以上的高频范围内实现了优良的可重构带通滤波性能，其可以工作在五种调节模式，具有高度灵活的重构能力。同时，在各带通调节模式下均实现了较低的插入损耗，陡峭的截止特性以及良好的阻带抑制特性。
36.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。