CN102569956A - 一种变容管电可调滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变容管电可调滤波器。该变容管电可调滤波器包括：输入微带线、第一微带谐振器、第二微带谐振器和输出微带线；其中，第一微带谐振器和第二微带谐振器开口向外，并排镜像设置，两者相互临近的部位形成直接耦合；输入微带线和输出微带线分别位于第一微带谐振器和第二微带谐振器的下方，并排镜像设置，两者的末端均沿远离第一微带谐振器和第二微带谐振器的方向偏折90度，两偏折部分相互平行，形成交叉耦合，该交叉耦合与该直接耦合的符号相反。变容管电可调滤波器的传递函数产生了传输零点，具有类椭圆函数特性，从而使滤波器拥有良好的矩形系数，提高了滤波性能。

Description

一种变容管电可调滤波器

技术领域

本发明涉及电子行业信号处理技术领域，尤其涉及一种变容管电可调类滤波器。

背景技术

电可调滤波器用于频率变化的场合，特别是在雷达探测领域，用于对信号进行滤波，从而得到比较纯净的频谱，提高系统的抗干扰能力。电可调滤波器通常分为钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，简称YIG)电可调滤波器和变容管电可调滤波器两类。YIG电可调滤波器拥有很高的品质因数，但由于受磁滞效应的影响，其调谐速度慢，不能适用于频率捷变场合。变容管电调滤波器调谐速度快，可满足捷变频的需要，选用高品质因数的变容管可以获得较高的品质因数。

由于在耦合和设计上带来的困难，变容管电调滤波器通常都为梳状滤波器结构，这种结构无法实现类椭圆函数滤波特性，无法将邻近通带抑制得更低。而类椭圆函数滤波器由于可以在通带附近产生传输零点，因而其滤波性能得到大大改善，但其对滤波器的耦合形式有特定的要求。

在实现本发明的过程中，申请人意识到现有技术存在如下技术缺陷：现有的变容管电调滤波器通常采用Butterworth综合或Chebyshev综合，这些滤波器的设计方案矩形系数不好，具体来讲，没有陡峭的边沿，因而对边带的滤波效果不好，因而在边带抑制要求高的场合不能满足需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的问题，本发明提供了一种变容管电可调滤波器，利用两节变容管加载的微带谐振器设计类椭圆函数滤波器，边带形成了一对传输零点，达到良好的边带抑制效果；同时通过调节施加在变容管上的偏置电压，使该变容管电调滤波器的中心频率随着外加电压进行改变，以满足捷变频的需要。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种变容管电可调滤波器。该变容管电可调滤波器包括：输入微带线、第一微带谐振器、第二微带谐振器和输出微带线；其中，第一微带谐振器和第二微带谐振器开口向外，并排镜像设置，两者相互临近的部位形成直接耦合；输入微带线和输出微带线分别位于第一微带谐振器和第二微带谐振器的下方，并排镜像设置，两者的末端均沿远离第一微带谐振器和第二微带谐振器的方向偏折90度，形成交叉耦合，该交叉耦合与该直接耦合的符号相反。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明变容管电可调滤波器具有下列有益效果：

(1)第一微带谐振器和第二微带谐振器相互临近的部位形成直接耦合；输入微带线和输出微带线两者的末端形成交叉耦合，该直接耦合和该交叉耦合符号相反，使滤波器的传递函数产生了传输零点，具有类椭圆函数特性，从而使滤波器拥有良好的矩形系数，提高了滤波性能；

(2)由于采用了变容管电调结构，通过改变变容管上的调谐电压来改变滤波的中心频率，而保持滤波曲线的形状不变，滤波器的中心频率具有很快的调谐速度，满足捷变频的需求；

(3)由于采用了输入微带线和输出微带线，利用该输入微带线和输出微带线为滤波器的交叉耦合，使本发明的变容管电可调滤波器比传统的类椭圆函数滤波器所需要的谐振器数目更少，而传统的类椭圆函数滤波器需要至少一对谐振器来构造交叉耦合。

附图说明

图1为本发明实施例变容管电可调滤波器的结构示意图；

图2为本发明实施例变容管电可调滤波器中谐振器的结构示意图；

图3为本发明实施例变容管电可调滤波器的仿真与实测下的响应曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在电磁场理论中，电磁波在传输线上以正弦波的形式传输，在特定位置会呈现出电压波峰点和波节点，在电压波峰点，电压达到最大值，此时电流为0，表现为电场的形式；在电压波节点，电压达到最小值，电流达到最大值，表现为磁场的形式。依靠电场进行电磁能量的耦合称为电耦合，依靠磁场进行的耦合称为磁耦合，当耦合由电场和磁场共同作用时称为混合耦合。

对于任何一个传输线结构，由于其开路端电流无法通过，此时电流为0，电磁波总呈现出电压波峰点，表现为电场形式，在此处进行的电磁能量的耦合为电耦合。在传输线的接地点，电压达到最小值，可以认为其与地之间没有电压差，此时电磁波的电流达到最大值，表现为磁场的形式，在此处进行的耦合为磁耦合。对一个半波开环谐振器，其两端开路，电磁波在谐振器两端达到电压最大值，表现为电场，只能进行电耦合；在开环谐振器的中间，由于电磁波的周期规律，只能是电压波节点，表现为磁场，此处只能进行磁耦合；在其它位置则为混合耦合。

图1为本发明的变容管电可调滤波器的结构示意图。在图1中，为清楚起见，未给出变容管的偏压电路，该偏压电路将在图2中进行详细说明。如图1所示，该滤波器包含有输入微带线、第一微带谐振器、第二微带谐振器和输出微带线。其中，第一微带谐振器和第二微带谐振器开口向外，并排镜像设置，两者相互临近的部位形成直接耦合，即相邻序号传输单元之间的耦合；输入微带线和输出微带线分别位于第一微带谐振器和第二微带谐振器的下方，并排镜像设置，两者的末端均沿远离第一微带谐振器和第二微带谐振器的方向偏折90度，形成交叉耦合，即非相邻序号传输单元之间的耦合，该直接耦合和该交叉耦合符号相反，即磁耦合取正，电耦合取负。第一微带谐振器和第二微带谐振器的型号、规格相同。

依据Levy近似综合模型，要想使交叉耦合滤波器的传递函数得到传输零点，构成交叉耦合的传输单元之间的直接耦合与交叉耦合必须具有相反的符号。对于本实施例而言，由输入微带线、第一微带谐振器、第二微带谐振器和输出微带线构成一个交叉耦合传输单元构成交叉耦合的传输单元。第一微带谐振器、第二微带谐振器之间的耦合构成直接耦合。

图1所示第一微带谐振器和第二微带谐振器之间采用了磁耦合模式，因而输入微带线和输出微带线必须采用电耦合模式。另外，若第一微带谐振器和第二微带谐振器采用了电耦合模式，则输入微带线和输出微带线之间应当采用磁耦合模式。

本实施例中，输入微带线平行耦合到第一微带谐振器，两者之间为混合耦合模式，即电耦合和磁耦合共同作用。第一微带谐振器和第二微带谐振器之间为磁耦合模式。输出微带线平行耦合到第二微带谐振器，两者之间为混合耦合模式。第一微带谐振器和第二微带谐振器之间为磁耦合模式。从而，整个变容管可调滤波器的传递函数在通带边沿产生一对传输零点，提高了对邻道的信号抑制能力。

以下分别对变容管电可调滤波器的各个组成部分进行详细说明。

1、谐振器。谐振器是滤波器的基本单元，本发明的滤波器采用了半波谐振器结构，由微带谐振线和变容管构成。变容管的正极接到微带谐振线开路的一端，负极串联隔直流电容后接到微带谐振线开路的另一端，调谐电压Vt通过偏压电阻R1加到变容管负极，用来调节滤波器的中心频率，微带谐振线通过偏压电阻R2接地，即在谐振器的中间位置接地，此处为信号电压波节点，引入的寄生参量最小，形成变容管的偏压通路，即如图2所示的谐振器结构。

a、微带谐振线

微带谐振线采用50欧姆特性阻抗传输线，依据公式1计算微带谐振线的长度d。

对变容管加载半波谐振器，微带谐振线的长度计算式为：

$d=\frac{2}{\mathrm{\β}}\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{\mathrm{\π}{f}_0{Z}_{0}C}\right)---\left(1\right)$

其中f₀为滤波器的中心频率，Z₀为传输线特性阻抗，C为变容管的中间电容值，β为导波的传播常数，其由传输介质的介电常数和厚度决定。

b、变容管

为减小插入损耗，尽量选用高Q变容管，电容量大小在满足频率调动范围的情况下尽量取小，即变容管的Q值与电容量成反比，优选采用型号为SMV1233的变容管。在给定微带线长度的情况下，假设滤波器的中心频率调动范围要求为f₁～f₂，则要求变容管的电容值变化范围为C₁～C₂。变容管的电容调动范围需求由公式2计算：

$\left.\begin{array}{c}{C}_1=\frac{1}{\mathrm{\π}{f}_1{Z}_0\mathrm{tg}(\mathrm{\βd}/2)}\\ C_2=\frac{1}{\mathrm{\π}{f}_2{Z}_0\mathrm{tg}(\mathrm{\βd}/2)}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中，β为导波的传播常数，d为微带谐振线的长度，f₁、f₂分别为滤波器的中心频率调动的上下范围，Z₀为传输线特性阻抗。

2、输入微带线和输出微带线

输入、输出微带线采用50欧姆特性阻抗微带传输线，用以为滤波器提供一对交叉耦合，形成一对传输零点。图1中利用在输入、输出微带线的开路末端构造一对平行的电耦合来形成交叉耦合-电耦合。输入微带线和输出微带线的长度，形状随耦合系数而变化。

输入、输出微带线之间耦合系数M_io的大小可依据公式3进行计算。其耦合大小决定了传输零点的位置距离通带的远近。若该耦合过大，则传输零点距离通带很近，带外抑制性能将有所下降；若该耦合过小，则传输零点距离通融带过远，滤波的矩形系数将变差。

$M_{\mathrm{io}}=-k*\frac{f_0}{f_2-f_1}*\frac{M_{12}}{Q_e}---\left(3\right)$

其中M₁₂为第一谐振器和第二谐振器之间的耦合系数的大小，Q_e为外部有载品质因数(其表示输入输出线和谐振器之间的连接关系)，f₀为中心频率，f₁和f₂分别为欲设的两个传输零点的频率，k为耦合因子，已综合出k值为1.597，其由输入输出微带线的长度和间距决定，也可以去其他值，改变k值将使传输零点的位置产生偏移。

分布参数滤波器的设计公式通常称为综合公式，没有严谨的数学表达式，有各种不同的综合模型，依据综合模型可以进行特定结构的滤波器设计，各种模型不通用。对于复杂结构的滤波器，没有现成的综合模型可以使用，但可以采用抽取耦合系数和外部品质因数的方法进行设计，它具有普适性，即：先依据经验优化出一个滤波器；然后再对优化完成的滤波器抽取出其耦合系数和外部品质因数；后来的设计人员就可以依据其进行设计。对于本实施例的变容管电可调滤波器来讲，其设计的过程大致如下：

一、设计参数：中心频率调动范围为1.4GHz～1.85GHz，相对带宽FBW为0.04。采用的覆铜微带板的相关参数为：介电常数：3.2，介质厚度：1mm；

二、由上述设计参数及外围参数，设谐振器的加载电容为1.2pF得到微带谐振线的长度d为32mm，由公式3计算得到电容变化范围至少为1pF至1.5pF，考虑到所得的电容值在本实施例中是由变容管与3pF隔直流电容串联，对应的变容管的容值变化范围应当至少为1.5pF至3pF变容管的根据上述计算的结果，可以选用型号SMV1233的变容管(其对应的电容值为1.1pF6V，3pF1V)；

三、调整第一谐振器和第二谐振器的间距、输入微带线和输出微带线的弯折长度等参数来获得最佳的滤波曲线，然后对该调整好的滤波器提取出其耦合系数和外部品质因数，以后相同类型的滤波器可依据该优化好的耦合系数和外部品质因数归一化到需要的中心频率进行设计。该滤波器的耦合系数和外部品质因数分别为：

$\left.\begin{array}{c}{M}_{12}=0.078\\ M_{\mathrm{io}}=-0.0044\\ Q_e=14.89\end{array}\right\}---\left(4\right)$

而该滤波器的具体的结构参数为(介质的介电常数为3.3，介质厚度1mm)：输入输出微带线的耦合长度为3mm，间距为1mm；第一谐振器和第二谐振器之间的耦合长度为5mm，间距0.7mm，输入输出微带线与第一谐振器和第二谐振器的间距12mm，间距0.2mm，谐振器中微带段的总长度为32mm。

图3为该滤波器的S参数S21响应曲线，其中实线为实际测量曲线，虚线为仿真曲线，仿真曲线和实际测量曲线吻合良好。当变容管的外加电压由1V～5V进行调节时，滤波器的中心频率由1.4GHz移到1.85GHZ，同时S21始终保持有一对传输零点。

受变容管Q值的影响，变容管电调滤波器在频率端的插入损耗较大，其原因在于偏置电压低时，变容管的Q值相对较小，在频率高端插入损耗较小，实际应用中可在滤波后进行放大补偿，或只取频率高端的可调频率，而在本实施例中中心频率在1.6GHz～1.85GHz时插入损耗较小，本实施例中谐振器微带线的长度和使用的变容管可依据公式以做相应改变，只要能满足滤波器的频率调动范围即可。特别是采用更高Q值的变容管后，如MA4ST250，其低频端的插入损耗可以得到一定程度的改善。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变容管电可调滤波器，包括：输入微带线、第一微带谐振器、第二微带谐振器和输出微带线；其中，

第一微带谐振器和第二微带谐振器开口向外，并排镜像设置，两者相互临近的部位形成直接耦合；

输入微带线和输出微带线分别位于第一微带谐振器和第二微带谐振器的下方，并排镜像设置，两者的末端均沿远离第一微带谐振器和第二微带谐振器的方向偏折90度，两偏折部分相互平行，形成交叉耦合，该交叉耦合与该直接耦合的符号相反。

2.根据权利要求1所述的变容管电可调滤波器，其中，所述直接耦合为磁耦合，所述交叉耦合为电耦合。

3.根据权利要求2所述的变容管电可调滤波器，其中，所述输入微带线与第一微带谐振器形成混合耦合；输出微带线与第二微带谐振器形成混合耦合。

4.根据权利要求2所述的变容管电可调滤波器，其中，所述第一微带谐振器和第二微带谐振器均为半波谐振器，该半波谐振器包括：

微带谐振线，其通过第二偏压电阻接地；及

变容管，其正极连接至微带谐振线开路的一端，其负极串联隔直流电容后接到微带谐振线开路的另一端，调谐电压通过第一偏压电阻加到变容管负极。

5.根据权利要求4所述的变容管电可调滤波器，其中，微带谐振线为50欧姆特性阻抗传输线，其长度为d，其中d满足：

$d=\frac{2}{\mathrm{\β}}\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{\mathrm{\π}{f}_0{Z}_{0}C}\right)$

其中，f₀为滤波器的中心频率，Z₀为传输线特性阻抗，C为变容管的中间电容值，β为导波的传播常数。

6.根据权利要求5所述的变容管电可调滤波器，其中，变容管的电容值变化范围至少为C₁～C₂，其中C₁、C₂满足：

$\left.\begin{array}{c}{C}_1=\frac{1}{\mathrm{\π}{f}_1{Z}_0\mathrm{tg}(\mathrm{\βd}/2)}\\ C_2=\frac{1}{\mathrm{\π}{f}_2{Z}_0\mathrm{tg}(\mathrm{\βd}/2)}\end{array}\right\}.$

7.根据权利要求6所述的变容管电可调滤波器，其中，输入、输出微带线之间耦合系数为M_io，第一谐振器和第二谐振器之间的耦合系数为M₁₂，则M_io和M₁₂满足：

$M_{\mathrm{io}}=-k*\frac{f_0}{f_2-f_1}*\frac{M_{12}}{Q_e}$

其中，Q_e为表示输入输出线和谐振器之间的连接关系的外部有载品质因数，f₀为中心频率，f₁和f₂分别为欲设的两个传输零点的频率，k＝1.597为耦合因子。

8.根据权利要求7所述的变容管电可调滤波器，其中心频率调动范围为1.4GHz～1.85GHz，相对带宽为0.04；

耦合系数M_io，耦合系数M₁₂和外部品质因数满足：

$\left.\begin{array}{c}{M}_{12}=0.078\\ M_{\mathrm{io}}=-0.0044\\ Q_e=14.89\end{array}\right\}.$

9.根据权利要求7所述的变容管电可调滤波器，其中心频率调动范围为1.4GHz～1.85GHz，相对带宽为0.04；

所用微带板介质的介电常数为3.2，厚度为1mm；

变容管的中间电容值C的电容变化范围为C1～C2：C₁＝1.1pF、C₂＝3pF；

输入输出微带线的耦合长度为3mm，间距为1mm；

第一谐振器和第二谐振器之间的耦合长度为5mm，间距0.7mm；

输入输出微带线与第一谐振器和第二谐振器的间距12mm，间距0.2mm，第一谐振器和第二谐振器中微带谐振线的总长度为32mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的变容管电可调滤波器，其为类椭圆函数滤波器。

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