二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器转让专利
申请号 : CN202010155895.1
文献号 : CN111342180B
文献日 : 2021-08-10
发明人 : 刘云 , 刘韬 , 梁晨 , 邰凡彬
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
本发明公开了二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器，涉及四分之一波长并联短截线滤波器，属于基本电气元件的技术领域。该滤波器设置于一块介质基板上，主要由主传输线、N个四分之一波长短路短截线组合组成。主传输线由N+1个四分之一波长J变换器串联组成，相邻两个四分之一波长J变换器之间接1个四分之一波长短路短截线组合，每个短路短截线组合由M个特性阻抗不同的短路短截线并联组成。每个四分之一波长短路短截线的一端通过一个PIN二极管与主传输线相连，另一端连接一个隔直电容并通过过孔接地。通过M个控制电压可实现2M‑1组等效特性导纳，从而实现2M‑1种滤波器带宽，即实现二进制式带宽可重构的带通滤波器。
权利要求 :
1.二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器，其特征在于，包括：由N+1个四分之M
一波长J变换器串联组成的主传输线以及N个具有2‑1个不同等效特性导纳的四分之一波长短路短截线组合，相邻两个J变换器的连接点处接一个四分之一波长短路短截线组合，NM
和M都为大于零的整数，所述具有2‑1个不同等效特性阻抗的四分之一波长短路短截线组合由M个短截线并联组成，每个短截线的一端通过PIN二极管与相邻两个J变换器的连接点处接相连，每个短截线的另一端连接一个隔直电容后通过过孔接地，各四分之一波长短路短截线组合中等效特性阻抗相同的短截线受控于同一偏置电压。
2.根据权利要求1所述二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器，其特征在于，每个短截线上焊接有对PIN二极管施加偏置电压的限流电阻。
说明书 :
二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器
技术领域
[0001] 本发明公开了二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器，涉及并联短截线线滤波器，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
[0002] 目前，广泛使用的滤波器有着不可调、功能固定的特点，因此，需大量的不同带宽指标的滤波器构成无线通信系统，这增加了无线通信系统的复杂性和体积。
[0003] 随着无线通信技术的快速发展，频谱资源越来越稀缺，为了充分利用十分有限的频谱资源，无线通信设备广泛采用了跳频、扩频、频率动态分配等技术，并且出现了支持多
种通信制式的可重构通信系统，这些技术与系统不可或缺的器件——可重构滤波器近年来
越来越受到重视。申请号为201410560726.0的中国专利公开了一种带宽可重构带通滤波
器，该带通滤波器通过在输入线、谐振器、输出线之间添加N组开关二极管实现N种带宽可
调，但由于可调范围小并且带宽较小，带宽状态较少，不适于宽带滤波器。而通过梳状线结
构实现二进制带宽可重构的滤波器虽然可以通过有限个电压实现以控制电压个数为指数
的多种滤波带宽，但难以获得差异较大的滤波带宽。
种通信制式的可重构通信系统，这些技术与系统不可或缺的器件——可重构滤波器近年来
越来越受到重视。申请号为201410560726.0的中国专利公开了一种带宽可重构带通滤波
器，该带通滤波器通过在输入线、谐振器、输出线之间添加N组开关二极管实现N种带宽可
调，但由于可调范围小并且带宽较小，带宽状态较少，不适于宽带滤波器。而通过梳状线结
构实现二进制带宽可重构的滤波器虽然可以通过有限个电压实现以控制电压个数为指数
的多种滤波带宽，但难以获得差异较大的滤波带宽。
[0004] 本发明旨在提出一类二进制式的带宽可重构的带通滤波器，可通过M个控制电压M
获得2‑1种不同的滤波器带宽，能够在更大可调范围内通过有限个控制电压实现多个差异
较大的滤波带宽，有助于简化无线通信系统并减小体积。
获得2‑1种不同的滤波器带宽，能够在更大可调范围内通过有限个控制电压实现多个差异
较大的滤波带宽，有助于简化无线通信系统并减小体积。
发明内容
[0005] 本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器，实现了现代无线通信系统中微波滤波器的带宽二进制可重构功能，
解决了现有带宽可重构滤波器可调范围有限、带宽较小及难以获取差异较大的多个滤波带
宽的技术问题。
解决了现有带宽可重构滤波器可调范围有限、带宽较小及难以获取差异较大的多个滤波带
宽的技术问题。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 二进制式带宽可重构的并联短截线带通滤波器，该滤波器设置于一块介质基板上，主要由主传输线、N个四分之一波长短路短截线组合组成。主传输线由N+1个四分之一波
长J变换器串联组成，相邻两个四分之一波长J变换器的连接点处接1个四分之一波长短路
短截线组合，每个短路短截线组合由M个特性阻抗不同的四分之一波长短截线并联组成。每
个四分之一波长短截线的一端通过一个PIN二极管与相邻两四分之一波长J变换器的连接
点处相连，另一端连接一个隔直电容并通过过孔接地，可通过焊接于短截线上的电阻对PIN
二极管施加偏置电压，使得四分之一波长短截线靠近主传输线的一端在开路和短路两种状
M
态之间切换。通过改变M组短截线的开路/短路状态，可以获得2‑1个不同的等效特性导纳，
这些等效特性导纳值跟每个短截线的特性阻抗相关。
长J变换器串联组成，相邻两个四分之一波长J变换器的连接点处接1个四分之一波长短路
短截线组合，每个短路短截线组合由M个特性阻抗不同的四分之一波长短截线并联组成。每
个四分之一波长短截线的一端通过一个PIN二极管与相邻两四分之一波长J变换器的连接
点处相连，另一端连接一个隔直电容并通过过孔接地，可通过焊接于短截线上的电阻对PIN
二极管施加偏置电压，使得四分之一波长短截线靠近主传输线的一端在开路和短路两种状
M
态之间切换。通过改变M组短截线的开路/短路状态，可以获得2‑1个不同的等效特性导纳，
这些等效特性导纳值跟每个短截线的特性阻抗相关。
[0008] 共有M个带宽控制电压，同时控制每个短路短截线组合中的M个短截线靠主传输线M M
一端的开路/短路状态。通过M个控制电压可实现2‑1组等效特性导纳，从而实现2‑1种滤波
器带宽，即实现二进制式带宽可重构的带通滤波器。
一端的开路/短路状态。通过M个控制电压可实现2‑1组等效特性导纳，从而实现2‑1种滤波
器带宽，即实现二进制式带宽可重构的带通滤波器。
[0009] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0010] (1)本发明提出了一种由主传输线、N个四分之一波长短路短截线组合组成的带通滤波器，每个四分之一波长短路短截线组合由M个特性阻抗不同的短路短截线并联组成，通
过M个控制电压调节四分之一波长短路短截线靠主传输线一端的开路/短路状态，实现了
M
2‑1种滤波器带宽的调制，从而实现带通滤波器的二进制式带宽可重构功能，可调范围更
大，状态更多，能够获得差异较大的多种滤波带宽且驻波不会因为不同状态带宽的变化而
恶化。
过M个控制电压调节四分之一波长短路短截线靠主传输线一端的开路/短路状态，实现了
M
2‑1种滤波器带宽的调制，从而实现带通滤波器的二进制式带宽可重构功能，可调范围更
大，状态更多，能够获得差异较大的多种滤波带宽且驻波不会因为不同状态带宽的变化而
恶化。
[0011] (2)本申请提出的滤波器，调节迅速，结构紧凑简单，尺寸较小，可与传统PCB工艺结合，工艺成熟，成本低廉。
附图说明
[0012] 图1为二进制式带宽可重构的带通滤波器的J变换器结构图。
[0013] 图2为并联短截线带通滤波器的等效电路图。
[0014] 图3为N＝5时二进制带宽可重构滤波器的简化结构图。
[0015] 图4为M＝3时四分之一波长并联短截线组合的结构图。
[0016] 图5为M＝3、N＝5时二进制式带宽可重构滤波器的总体结构图。
[0017] 图6为M＝3、N＝5时二进制式带宽可重构带通滤波器在七种不同状态下的S参数曲线。
[0018] 图7为二进制式带宽可重构的带通滤波器的通用结构图。
[0019] 图中标号说明：1、PIN二极管；2、隔直电容；3、限流电阻。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
[0021] 本申请公开的二进制式带宽可重构的带通滤波器如图7所示，该滤波器设置于一块介质基板上，主要由主传输线、N个四分之一波长短路短截线组合组成。主传输线由N+1个
四分之一波长J变换器串联组成，每个短路短截线组合由M个特性阻抗不同的四分之一波长
短截线并联组成。每个四分之一波长短截线的一端通过一个PIN二极管与相邻两四分之一
波长J变换器的连接点处相连，另一端连接一个隔直电容并通过过孔接地，可通过焊接于短
截线上的电阻对PIN二极管施加偏置电压，实现四分之一波长短截线靠近主传输线的一端
在开路和短路两种状态之间切换。通过改变M组短截线靠主传输线一端的开路/短路状态，
M
可以获得2‑1个不同的等效特性导纳，这些等效特性导纳值跟每个短截线的特性阻抗相
关。
四分之一波长J变换器串联组成，每个短路短截线组合由M个特性阻抗不同的四分之一波长
短截线并联组成。每个四分之一波长短截线的一端通过一个PIN二极管与相邻两四分之一
波长J变换器的连接点处相连，另一端连接一个隔直电容并通过过孔接地，可通过焊接于短
截线上的电阻对PIN二极管施加偏置电压，实现四分之一波长短截线靠近主传输线的一端
在开路和短路两种状态之间切换。通过改变M组短截线靠主传输线一端的开路/短路状态，
M
可以获得2‑1个不同的等效特性导纳，这些等效特性导纳值跟每个短截线的特性阻抗相
关。
[0022] 共有M个带宽控制电压，同时控制每个短路短截线组合中的M个并联短截线靠主传M M
输线一端的开路/短路状态。通过M个控制电压可实现2‑1组等效特性导纳，从而实现2‑1种
滤波器带宽，即实现二进制式带宽可重构的带通滤波器。
输线一端的开路/短路状态。通过M个控制电压可实现2‑1组等效特性导纳，从而实现2‑1种
滤波器带宽，即实现二进制式带宽可重构的带通滤波器。
[0023] 图1给出了二进制式带宽可重构的带通滤波器的J变换器结构图。通过J变换器的阻抗变换功能使得输入端口处和输入传输线实现阻抗匹配，从而减小功率的反射损耗。可
通过切比雪夫理想低通原型得到各J变换器值的设计公式：
通过切比雪夫理想低通原型得到各J变换器值的设计公式：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 为了使可重构滤波器在不同状态的带宽之间切换驻波不会产生恶化，要使滤波器在带宽变换时J变换器的值不发生变化，因此要使每个支节的输入导纳相同，并且考虑到微
带易于实现，设定GA和GB是 Ca1＝Ca2＝...＝Can＝0.025。包含5个J变换器的并联短截线
带通滤波器中，各阻抗变换器的值如下表所示：
带易于实现，设定GA和GB是 Ca1＝Ca2＝...＝Can＝0.025。包含5个J变换器的并联短截线
带通滤波器中，各阻抗变换器的值如下表所示：
[0028] Y0 Z0J01 0.0233 42.8355
J12 0.0199 50.1596
J23 0.0152 65.8255
J34 0.0152 65.8255
J45 0.0199 50.1596
J56 0.0233 42.8355
J12 0.0199 50.1596
J23 0.0152 65.8255
J34 0.0152 65.8255
J45 0.0199 50.1596
J56 0.0233 42.8355
[0029] 图2是并联短截线带通滤波器的等效电路图，图3是二进制带宽可重构滤波器的简化结构图，二进制带宽可重构滤波器由主传输线和5个并联短截线组合组成，其中，主传输
线由6段J变换器组成。并联短截线滤波器的带宽由并联短截线组合的等效特性导纳决定。
线由6段J变换器组成。并联短截线滤波器的带宽由并联短截线组合的等效特性导纳决定。
[0030] 图4是M＝3时四分之一波长短路短截线组合的具体实现，每个短路短截线组合的等效特性导纳等于导通的短截线的特性导纳之和。
[0031] 滤波器的特性导纳与带宽的关系如下式：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 通过对上式的推导可知输入导纳越小，则滤波器的相对带宽越宽。
[0037] 图4是M＝3时四分之一波长短路短截线组合的具体实现示意图，每个短路短截线组合由3个特性阻抗不同的四分之一波长短截线并联组成。每个四分之一短截线的一端通
过一个PIN二极管1与主传输线相连，另一端连接一个隔直电容2并通过过孔接地，可通过焊
接于短截线上的限流电阻3对PIN二极管1施加偏置电压，控制短截线靠主传输线一端在开
路和短路两种状态之间切换。通过改变3个短截线的开路/短路状态，可以获得7个不同的输
入导纳，这些输入导纳值跟每个短截线的特性阻抗相关。设定Z1＝25Ω，Z2＝50Ω，Z3＝100
Ω。
过一个PIN二极管1与主传输线相连，另一端连接一个隔直电容2并通过过孔接地，可通过焊
接于短截线上的限流电阻3对PIN二极管1施加偏置电压，控制短截线靠主传输线一端在开
路和短路两种状态之间切换。通过改变3个短截线的开路/短路状态，可以获得7个不同的输
入导纳，这些输入导纳值跟每个短截线的特性阻抗相关。设定Z1＝25Ω，Z2＝50Ω，Z3＝100
Ω。
[0038] PIN二极管分为3组，其中，特性阻抗为Z1的短截线上的PIN二极管是第一组开关，第一组开关均由第一控制电压控制通断；特性阻抗为Z2的短截线上的PIN二极管是第二组
开关，第二组开关均由第二控制电压控制通断；特性阻抗为Z3的短截线上的PIN二极管是第
三组开关，第三组开关均由第三控制电压控制通断。
开关，第二组开关均由第二控制电压控制通断；特性阻抗为Z3的短截线上的PIN二极管是第
三组开关，第三组开关均由第三控制电压控制通断。
[0039] 如图4所示，每个四分之一波长短截线的一端与PIN二极管的阳极相连，另一端与隔直电容相连并通过过孔接地，短截线靠近短路端的部位都接一个限流电阻，限流电阻另
一端接控制电压，可控制PIN二极管是否导通，PIN二极管导通时相当于开关闭合，PIN二极
管不导通时相当于开关断开；限流电阻的作用是防止电流过大。
一端接控制电压，可控制PIN二极管是否导通，PIN二极管导通时相当于开关闭合，PIN二极
管不导通时相当于开关断开；限流电阻的作用是防止电流过大。
[0040] 当某个控制电压为0V时，它所控制的那一组开关全部断开，记为状态0；当某个控制电压为10V时，它所控制的那一组开关全部导通，记为状态1。不同状态与不同组开关对应
的关系如下表所示：
的关系如下表所示：
[0041]状态 第一组开关 第二组开关 第三组开关
001 断开 断开 导通
010 断开 导通 断开
011 断开 导通 导通
100 导通 断开 断开
101 导通 断开 导通
110 导通 导通 断开
111 导通 导通 导通
001 断开 断开 导通
010 断开 导通 断开
011 断开 导通 导通
100 导通 断开 断开
101 导通 断开 导通
110 导通 导通 断开
111 导通 导通 导通
[0042] 在ADS建立相关模型，对整体结构进行优化。图6给出了图5所示二进制带宽可重构滤波器(M＝3，N＝5)的S参数曲线，可以看出，在不同状态之间切换并不会造成滤波器的驻
波恶化，且所有状态的回波损耗都在16dB以上。七种状态通带的中心频率都是f0＝2GHz，
001状态的带宽BW＝1530MHz，010状态的带宽BW＝1160MHz,011状态的带宽BW＝970MHz,100
状态的带宽BW＝810MHz,101状态的带宽BW＝730MHz，110状态的带宽BW＝670MHz，111状态
的带宽BW＝550MHz。
波恶化，且所有状态的回波损耗都在16dB以上。七种状态通带的中心频率都是f0＝2GHz，
001状态的带宽BW＝1530MHz，010状态的带宽BW＝1160MHz,011状态的带宽BW＝970MHz,100
状态的带宽BW＝810MHz,101状态的带宽BW＝730MHz，110状态的带宽BW＝670MHz，111状态
的带宽BW＝550MHz。
[0043] 以上所述的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内做出的任何修改、等同替换、改进
均应包含在本发明的保护范围内。
均应包含在本发明的保护范围内。