一种微带交指线型限幅滤波器

1.本发明涉及射频通信前端器件与电磁防护领域，具体是一种微带交指线型限幅滤波器。


背景技术：

2.传统射频前端将滤波器与用作电路防护的限幅器进行级联，这属于不同器件的组合，具有级联固有的插入损耗大、结构复杂、体积不易集成等问题。在滤波器结构中，有一种利用交指线型(参见文献“g.l m.interdigital band-pass filters[j].ire transactions on microwave theory and techniques,1962,10(6):479～491.”译为：交指线型带通滤波器，在1962年ire微波理论与技术学报上发表，见该文献第479页至491页)耦合实现滤波特性的，但其没有加载功率半导体器件，因此不能用于功率自适应调控，进而无法实现限幅功能。
[0003]
为了实现滤波器和限幅器一体化，文献(参见文献“羊恺,补世荣,刘娟秀,等.限幅自保护高温超导接收机前端研究[j].电子科技大学学报,2007,(02):223～226.”)中曾提出一种限幅滤波器，其利用高温超导薄膜材料的微波非线性，采用超导-常规电路混合集成工艺，使所设计的高温超导限幅滤波器在输入功率
–
10dbm时，最小插入损耗0.2db，带内驻波小于1.4；当输入功率15dbm时，传输信号的限幅深度达10db。但这种方案需要工作在液氮温区，常温情况下无法发挥功能。与这种方案比较，本发明直接采用常规微带电路实现，可以在常温下实现功能。
[0004]
当前的限幅滤波器使用高温超导材料，需要严苛的工作环境，在常温下无法发挥功能。而滤波器与限幅器直接级联，则具有插入损耗大、结构复杂、体积大的缺陷。本发明旨在解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大，以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题。如何设计一种新型限幅滤波器，一是使滤波器和限幅器结合一体，解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大的问题；二是在常温下实现功能，这是本领域技术人员极为关注的技术问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是提供一种新型限幅滤波器，解决滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大，以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题。
[0006]
为解决上述问题，本发明利用射频前端滤波器、限幅器结合为一体的结构，提出一种微带交指线型限幅滤波器，是一种基于微带交指线耦合技术的限幅滤波器。
[0007]
本发明技术方案如下:
[0008]
一种微带交指线型限幅滤波器，在与大地垂直的方向即z方向从上到下依次包括金属微带结构、介质基板、底板金属，金属微带结构采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板之上，底板金属采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板之下。金属微带结构厚度为h1，介质基板厚度为h2，相对介电常数为εr，底板金属厚度为h3。
[0009]
金属微带结构由n个谐振单元、n个pin二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成。
[0010]
金属微带结构中n个谐振单元交错排列而成交指线结构，若n为奇数，则金属微带结构关于中心谐振单元的中线轴对称；若n为偶数，则金属微带结构关于中心的两个谐振单元缝隙中线轴对称。n的数量(即谐振单元的数量)、n个谐振单元的间距是根据滤波中心频点、带宽进行调整的(参考文献jia-shang hong所著“microstrip filters for rf microwave applications(second edition)”40至47页，译为：“用于射频/微波应用的微带滤波器(第二版)”40至47页)。本发明的金属微带结构优先值采用7级谐振单元，通常要拓展带宽需要更多级，而谐振单元的间距影响多级之间的耦合，进而影响通带带宽和带内损耗。
[0011]
现定义金属微带结构中谐振单元的长边方向为竖向(即y方向)，金属微带结构中馈电抽头的左右方向为横向(即x方向)。
[0012]
x方向n个谐振单元的最左端、x方向n个谐振单元的最右端分别加载馈电抽头、馈电抽头。
[0013]
n个pin二极管从每个谐振单元的y轴最顶端或最底端引出，再串联到接地金属。n个pin二极管分别焊接在n个谐振单元与接地金属之间，n个pin二极管交错排列；
[0014]
接地金属分别位于金属微带结构中y轴最顶端、最底端，用于外部接地。
[0015]
介质基板包含n个通孔，其数量与金属微带结构的谐振单元数量保持一致。介质基板中的n个通孔连接金属微带结构与底板金属。
[0016]
本发明优选n＝7，金属微带结构由7个谐振单元、7个pin二极管、2个馈电抽头、2个接地金属组成。7个谐振单元为第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元，七个谐振单元交错排列；7个pin二极管为第一pin二极管、第二pin二极管、第三pin二极管、第四pin二极管、第五pin二极管、第六pin二极管、第七pin二极管，七个pin二级管交错排列；2个馈电抽头为第一馈电抽头、第二馈电抽头；2个接地金属为第一接地金属、第二接地金属。
[0017]
金属微带结构长为l1，宽为w1，厚度为h1。第一谐振单元、第七谐振单元长度均为w2，宽度均为s2，厚度均为h1；第二谐振单元、第六谐振单元长度均为w3，宽度均为s3，厚度均为h1；第三谐振单元、第五谐振单元长度均为w4，宽度均为s4，厚度均为h1；第四谐振单元长度均为w5，宽度均为s5，厚度均为h1；第一谐振单元与第二谐振单元、第六谐振单元与第七谐振单元的间隙均为l3，第二谐振单元与第三谐振单元、第五谐振单元与第六谐振单元的间隙均为l4，第三谐振单元与第四谐振单元、第四谐振单元与第五谐振单元的间隙均为l5。
[0018]
本发明x方向第一谐振单元的最左端加载第一馈电抽头、x方向第七谐振单元的最右端加载第二馈电抽头，第一馈电抽头与第二接地金属的距离为w6、第二馈电抽头与第二接地金属的距离为w6，第一馈电抽头、第二馈电抽头长度均为l2，宽度均为w7,厚度均为h1；上述宽度满足w6 w7《w2《w1，上述长度满足2
×
(l2 l3 l4 l5 s2 s3 s4) s5＝l1。
[0019]
第一接地金属位于金属微带结构中y轴最顶端，第二接地金属位于金属微带结构中y轴最底端，第一接地金属、第二接地金属用于外部接地。
[0020]
第一谐振单元与第一接地金属之间焊接第一pin二极管，即从第一谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属；第二谐振单元与第二接地金属之间焊接第二pin二极管，即从第二谐振单元的y轴最底端引出，再串联到第二接地金属；第三谐振单元与第一接
地金属之间焊接第三pin二极管，即从第三谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属；第四谐振单元与第二接地金属之间焊接第四pin二极管，即从第四谐振单元的y轴最底端引出，再串联到第二接地金属；第五谐振单元与第一接地金属之间焊接第五pin二极管，即从第五谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属；第六谐振单元与第二接地金属之间焊接第六pin二极管，即从第六谐振单元的y轴最底端引出，再串联到第二接地金属；第七谐振单元与第一接地金属之间焊接第七pin二极管，即从第七谐振单元的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属。
[0021]
7个谐振单元、7个pin二极管、2个馈电抽头关于中心谐振单元(即第四谐振单元)的中线轴对称。
[0022]
介质基板包含n个通孔，其数量与金属微带结构的谐振单元数量保持一致。介质基板中的n个通孔连接金属微带结构与底板金属，每个通孔形状为圆孔，直径均为l6，l6《第n个谐振单元的宽度。n个通孔分别为第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔、第五金属通孔、第六金属通孔、第七金属通孔，七个通孔交错排列；
[0023]
所述pin二极管型号是多种的，除了上述说明的pin二极管型号以外，可以根据限幅起限电平、功率容量选择其它型号的二级管，区别在于不同型号二极管导通条件不同。pin二极管接地端一侧可以是多样的，除了上述说明的焊接，还有过孔到地、键合接地等多种实现方式，这取决于二极管的封装形式，以及加工水平等条件。
[0024]
本发明是一种小信号情况下工作在x波段的滤波器，可以将通带外的微波信号抑制、通带内的微波信号以较低插入损耗传输；在大信号情况下是限幅器，可以将高于门限的功率信号大部分反射，防止功率通过对后端电路产生损坏。当小信号进入时，pin二极管近似等效为电容，其作为集总元件加载在带通滤波器结构中，与金属微带结构的谐振单元共同作用，实现滤波功能。当大信号进入时，由于pin二极管的电导调制效应，将pin二极管导通，这时其等效电路近似为电阻，从而引起滤波电路的整体失配，将大功率信号反射，防止功率通过对后端电路产生损坏。
[0025]
此外，本发明是一种可重构滤波器，它把通带内的电磁波信号按照特定功率值进行划分，低于该功率值的电磁波信号可以以低插入损耗通过，而高于该功率值的电磁波信号则产生较大反射。射频前端需要用到滤波器和限幅器的部件。通信系统且后端接有灵敏设备的接收机、电磁防护设备，凡是需要滤波和电路防护的设备或系统，都可依靠本发明来进行工作。
[0026]
采用本发明可以达到以下技术效果：
[0027]
本发明提出一种微带梳状线型限幅滤波器，解决了现有技术中的滤波器与限幅器级联插入损耗大、结构复杂、体积大，以及单一限幅滤波器要求工作环境严苛等技术问题，此外在应用环境上，可以在常温情况下实现，提高了可靠性。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明整体结构示意图；
[0030]
图2为本发明俯视图和正视图；
[0031]
图3为本发明实施例在小信号情况下的传输参数图；
[0032]
图4为本发明实施例中大信号情况下的传输参数图；
[0033]
图中标号：
[0034]
1、金属微带结构；2、介质基板；3、底板金属；1001、第一接地金属；1002、第二接地金属；101、第一pin二极管；102、第二pin二极管；103、第三pin二极管；104、第四pin二极管；105、第五pin二极管；106、第六pin二极管；107第七pin二极管；1021、第一馈电抽头；1022、第一谐振单元；1023、第二谐振单元；1024、第三谐振单元；1025、第四谐振单元；1026、第五谐振单元；1027、第六谐振单元；1028、第七谐振单元；1029、第二馈电抽头；201、第一金属通孔；202、第二金属通孔；203、第三金属通孔；204、第四金属通孔；205、第五金属通孔；206、第六金属通孔；207、第七金属通孔；
[0035]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0036]
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037]
本实施例提供一种微带交指线型限幅滤波器，小信号情况下工作在x波段的滤波器，将通带外的微波信号抑制、通带内的微波信号以较低插入损耗传输；在大信号情况下是限幅器，可将高于门限的功率信号大部分反射，防止功率通过对后端电路产生损坏。
[0038]
如图1所示，一种微带交指线型限幅滤波器，在与大地垂直的方向即z方向从上到下依次包括金属微带结构1、介质基板2、底板金属3，金属微带结构1采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板2之上，底板金属3采用薄膜电路工艺蚀刻在介质基板2之下。金属微带结构厚度为h1，介质基板厚度为h2，相对介电常数为εr，底板金属厚度为h3。
[0039]
如图2所示，金属微带结构1由n个谐振单元、n个pin二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成。本发明的金属微带结构1采用7级谐振单元，n＝7，金属微带结构1由7个谐振单元、7个pin二极管、2个馈电抽头、2条接地金属组成。7个谐振单元为第一谐振单元1022、第二谐振单元1023、第三谐振单元1024、第四谐振单元1025、第五谐振单元1026、第六谐振单元1027、第七谐振单元1028，七个谐振单元交错排列；7个pin二极管为第一pin二极管101、第二pin二极管102、第三pin二极管103、第四pin二极管104、第五pin二极管105、第六pin二极管106、第七pin二极管107，七个pin二级管交错排列；2个馈电抽头为第一馈电抽头1021、第二馈电抽头1029；2个接地金属为第一接地金属1001、第二接地金属1002。
[0040]
金属微带结构1长为l1，宽为w1，厚度为h1。第一谐振单元1022、第七谐振单元1028长度均为w2，宽度均为s2，厚度均为h1；第二谐振单元1023、第六谐振单元1027长度均为w3，宽度均为s3，厚度均为h1；第三谐振单元1024、第五谐振单元1026长度均为w4，宽度均为s4，厚度均为h1；第四谐振单元1025长度均为w5，宽度均为s5，厚度均为h1；第一谐振单元1022与第二谐振单元1023、第六谐振单元1027与第七谐振单元1028的间隙均为l3，第二谐振单元1023与第三谐振单元1024、第五谐振单元1026与第六谐振单元1027的间隙均为l4，第三
谐振单元1024与第四谐振单元1025、第四谐振单元1025与第五谐振单元1026的间隙均为l5。
[0041]
现定义金属微带结构中二极管的导通方向为竖向(即y方向)，金属微带结构1中馈电抽头的左右方向为横向(即x方向)。本发明x方向第一谐振单元1022的最左端加载第一馈电抽头1021、x方向第七谐振单元1028的最右端加载第二馈电抽头1029，第一馈电抽头1021与第二接地金属1002的距离为w6、第二馈电抽头1029与第二接地金属1002的距离为w6，第一馈电抽头1021、第二馈电抽头1029长度均为l2，宽度均为w7,厚度均为h1；上述宽度满足w6 w7《w2《w1，上述长度满足2
×
(l2 l3 l4 l5 s2 s3 s4) s5＝l1。
[0042]
第一接地金属1001位于金属微带结构1中y轴最顶端，第二接地金属1002位于金属微带结构1中y轴最底端，用于外部接地。
[0043]
第一谐振单元1022与第一接地金属1001之间焊接第一pin二极管101，即从第一谐振单元1022的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属1001；第二谐振单元1023与第二接地金属1002之间焊接第二pin二极管102，即从第二谐振单元1023的y轴最底端引出，再串联到第二接地金属1002；第三谐振单元1024与第一接地金属1001之间焊接第三pin二极管103，即从第三谐振单元1024的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属1001；第四谐振单元1025与第二接地金属1002之间焊接第四pin二极管104，即从第四谐振单元1025的y轴最底端引出，再串联到第二接地金属1002；第五谐振单元1026与第一接地金属1001之间焊接第五pin二极管105，即从第五谐振单元1026的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属1001；第六谐振单元1027与第二接地金属1002之间焊接第六pin二极管106，即从第六谐振单元1027的y轴最底端引出，再串联到第二接地金属1002；第七谐振单元1028与第一接地金属1001之间焊接第七pin二极管107，即从第七谐振单元1028的y轴最顶端引出，再串联到第一接地金属1001。
[0044]
7个谐振单元、7个pin二极管、2个馈电抽头关于中心谐振单元(即第四谐振单元1025)的中线轴对称。
[0045]
介质基板2包含n个通孔，其数量与金属微带结构1的谐振单元数量保持一致。介质基板2中的n个通孔连接金属微带结构1与底板金属3，每个通孔形状为圆孔，直径均为l6。n个通孔分别为第一金属通孔201、第二金属通孔202、第三金属通孔203、第四金属通孔204、第五金属通孔205、第六金属通孔206、第七金属通孔207，七个通孔交错排列；
[0046]
实施例在小信号情况下滤波的传输参数、大信号情况下限幅的传输参数如图3、图4，横坐标表示频率，单位ghz，纵坐标表示散射参数，单位为分贝(db)。如图3所示，当小信号进入时，本实施例在8.5ghz-9.5ghz之间插入损耗在2db以下(即图中散射参数s21》-2db)，散射参数s11《-10db，满足滤波器通带低损耗特性，散射参数呈现带通滤波器特点。如图4所示，当大信号进入时，本实施例在7ghz-12ghz之间插入损耗在10db以上(即图中散射参数s21《-10db)，散射参数s11》-10db，此时信号几乎全反射，散射参数呈现限幅的效果。可见，本发明在x波段可实现小信号情况下滤波，大信号情况下限幅的效果。
[0047]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。