CN107275725A - 一种基于sir加载pin二极管结构的频率响应可切换滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，本发明滤波器在二阶SIR滤波器的短路端末尾加载PIN二极管结构，整个滤波器结构左右对称，尺寸相等。整体结构可分为上中下三层，滤波器的上层为微带线电路，微带线电路包括馈线(11)、SIR谐振器一(21)、SIR谐振器二(22)、开关(31)。滤波器的中层为介质基板(1)，介质基板包含多个金属化过孔(111)。滤波器的下层由金属铜(3)覆盖。所述滤波器具频率响应可切换、结构紧凑易于加工、多传输零点、高选择性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及可调谐滤波器领域，具体涉及一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器。
背景技术
滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等***必不可少的组成部分，同时也是最为重要、技术含量最高的微波无源器件。目前对于电可调谐滤波器的研究方向主要集中在中心频率和带宽的调谐上，对于频率响应可切换的研究有所忽略。然而在实际生活应用中，各种通信设备都在朝着小型化发展，在一个通信***中绝大多数会用到多种频率响应的滤波器结构，也就是多个独立的滤波器结构，这样就导致了通信***结构复杂、体积较大、难以加工的状况。所以如果要解决这个问题，那么频率响应可切换滤波器的研究将是不可或缺的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述背景技术的不足，满足通信设备中对频率响应可切换滤波器的现实需求，提出了一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)上层印刷有微带线电路(2)，且所述介质基板(1)下层设有铜片(3)；
所述微带线电路(2)包括相同的SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)，所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)在介质基板(1)上相互对称，在介质基板(1)上取一点作为坐标原点，取SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)的对称轴作为Y轴，将平行于介质基板(1)且垂直于Y轴的方向作为X轴；
所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)均分为第一部分(211)和第二部分(212)，第一部分(211)的一端设为开路端，第二部分(212)的一端设为短路端，所述第一部分(211)远离开路端的端口与第二部分(212)远离短路端的端口相连，且所述第一部分(211)和第二部分(212)沿Y轴方向排布；所述第一部分(211)沿Y轴方向的长度小于第二部分(212)沿Y轴方向的长度，所述第一部分(211)沿X轴方向的宽度大于第二部分(212)沿X轴方向的宽度；
所述第二部分(212)上设有馈线(11)，所述馈线(11)包括信号馈线(41)和开路枝节(51)，所述信号馈线(41)与第二部分(212)垂直连接，所述信号馈线(41)与X轴平行，且SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)处于远离SIR谐振器二(22)的一侧，SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)处于远离SIR谐振器一(21)的一侧；所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)与SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)处于同一条水平线上；所述开路枝节(51)垂直设置在信号馈线(41)上；
所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)的第二部分(212)的短路端均包括开关结构(31)，所述开关结构(31)包括PIN二极管(71)、隔直电容(81)、扼流电感(91)、焊盘一(101)、焊盘二(102)和焊盘三(103)，所述焊盘三(103)上开设有金属化过孔(111)，所述PIN二极管(71)加载于焊盘二(102)和焊盘三(103)之间，所述扼流电感(91)加载于焊盘一(101)和焊盘二(102)之间，所述隔直电容(81)加载于短路端的底端和焊盘一(101)之间，且所述焊盘一(101)和焊盘二(102)在X轴方向上相互平行，所述焊盘一(101)和焊盘三(103)在Y轴方向上相互平行；所述SIR谐振器一(21)上的焊盘二(102)与信号馈线(41)处于同一侧，所述SIR谐振器二(22)上的焊盘二(102)与信号馈线(41)处于同一侧。
进一步的，所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)的第二部分之间安装有高阻线(61)，所述高阻线(61)与SIR谐振器一(21)连接的端口垂直于SIR谐振器一(21)，所述高阻线(61)与SIR谐振器二(22)连接的端口垂直于SIR谐振器二(22)。
进一步的，所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)作为输入端口，所述SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)作为输出端口；或者所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)作为输出端口，所述SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)作为输入端口。
进一步的，所述信号馈线(41)的特性阻抗为50欧姆。
进一步的，所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)与SIR谐振器一(21)相连接的端部设置为倒角，所述SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)SIR谐振器二(22)相连接的端部设置为倒角。
本发明的有益效果为：
本发明通过合理设计整个滤波器的结构和尺寸，调节PIN二极管两端加载的偏压的正负，控制PIN二极管的开启与断开，达到了对电路性能在不同偏压下的改变，从而实现了不同的滤波器频率响应之间的切换。当加载正偏电压时，PIN二极管导通，介质基板上层的微带结构等效为终端短路的四分之一波长SIR谐振器，滤波器响应表现为带通，此时通过混合电磁耦合和开路枝节产生了多个传输零点，从而提高了频率选择性。当加载反偏电压时，PIN二极管关断，介质板上层的微带结构等效为加载开路枝节的低通滤波器，此时通过多个枝节产生传输零点，从而提高了频率选择性和带外抑制。进而整体上实现了滤波器频率响应可切换的目的，并且通过对整体结构的巧妙设计，实现了多传输零点，达到了高频率选择性、结构小型化、易于加工的目的。
附图说明
图1是本发明所采用的印刷电路板的结构示意图；
图2是本发明中微带线电路的俯视示意图；
图3是本发明滤波器的带通仿真与实测示意图，仿真采用的是HFSS软件，测试采用的是安捷伦N5230C矢量网络分析仪；
图4是本发明滤波器的低通仿真与实测示意图，仿真采用的是HFSS软件，测试采用的是安捷伦N5230C矢量网络分析仪。
附图标记说明：
1-介质基板、2-微带线电路、3-铜片、11-馈线、21-SIR谐振器一、211-第一部分、212-第二部分、22-SIR谐振器二、31-开关结构、41-信号馈线、51-开路枝节、61-高阻线、71-PIN二极管、81-隔直电容、91-扼流电感、101-焊盘一、102-焊盘二、103-焊盘三、111-金属化过孔。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，包括介质基板1，本发明采用相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm的PCB板作为介质基板，也可以采用其他规格的PCB板作为基板。介质基板1上层印刷有微带线电路2，微带线电路2采用导电性能好的材料，微带线电路2可采用铜材料，且微带线电路2偶尔镀金防止氧化。介质基板1下层设有铜片3作为整个滤波器的地。
如图2所示，微带线电路2包括相同的SIR谐振器一21和SIR谐振器二22，SIR谐振器一21和SIR谐振器二22结构相同，且SIR谐振器一21和SIR谐振器二22在介质基板1上层相互对称。在介质基板1上选取一点作为坐标原点，将SIR谐振器一21和SIR谐振器二22的对称轴作为Y轴，将平行于介质基板1且垂直于Y轴的方向作为X轴。
SIR谐振器一21和SIR谐振器二22均分为第一部分211和第二部分212，第一部分211和第二部分212均为矩形，第一部分211的一端设为开路端，第二部分212的一端设为短路端。第一部分211远离开路端的端口与第二部分212远离短路端的端口相连，且第一部分211和第二部分212沿Y轴方向排布。第一部分211沿Y轴方向的长度为18.85mm，第一部分211沿X轴方向的宽度为5.1mm。第二部分212沿Y轴方向的长度为26.5mm，第二部分212沿X轴方向的宽度为1.2mm。
第二部分212上设有馈线11，馈线11包括信号馈线41和开路枝节51。信号馈线41与X轴平行，且SIR谐振器一21上的信号馈线41处于远离SIR谐振器二22的一侧，SIR谐振器二22上的信号馈线41处于远离SIR谐振器一21的一侧。SIR谐振器一21上的信号馈线41与SIR谐振器二22上的信号馈线41处于同一条水平线上。信号馈线41沿Y轴方向的宽度为1.5mm，沿X轴方向的长度为7mm。信号馈线41沿Y轴方向距离第二部分212底端的短路端的距离为12mm。信号馈线41与SIR谐振器一21相连接的端部设置为沿X轴方向长度为0.5mm的倒角，信号馈线41SIR谐振器二22相连接的端部也设置沿X轴方向长度为0.5mm的倒角。倒角的设置是为了提高Q值灵敏度，从而更好的调节匹配。信号馈线41的特性阻抗为50欧姆。
开路枝节51垂直设置在信号馈线41上，开路枝节51在X轴方向上距离SIR谐振器一21或SIR谐振器二22的距离为2.5mm，开路枝节51沿Y轴方向的长度为11mm，开路枝节51沿X轴方向的宽度为0.2mm。
SIR谐振器一21和SIR谐振器二22的第二部分之间安装有高阻线61，高阻线61与SIR谐振器一21连接的端口垂直于SIR谐振器一21，高阻线61与SIR谐振器二22连接的端口垂直于SIR谐振器二22。高阻线61沿X轴方向分为五条线段，其中三段处于同一水平线上，且这三段靠近第一部分211，另外两段相对的远离第一部分211，且这两段也位于同一水平线上；高阻线61沿Y轴方向分为相互平行的四列线段，这四列线段与平行于X轴的五条线段依次连接。五条平行于X轴的线段从左至右，在X轴方向上的长度依次为1.65mm、1.9mm、1.5mm、1.9mm、1.65mm；四条平行于Y轴且相互并列的线段长度均为5.9mm，本发明采用这种结构对于磁耦合有一定的增强作用。
SIR谐振器一21和SIR谐振器二22的第二部分212的短路端均包括开关结构31，开关结构31包括PIN二极管71、隔直电容81、扼流电感91、焊盘一101、焊盘二102和焊盘三103。焊盘一101、焊盘二102和焊盘三103均是长度为1.2mm的正方形。焊盘三103上开设有金属化过孔111，金属化过孔111位于焊盘103中心位置，其孔直径为0.4mm。PIN二极管71加载于焊盘二102和焊盘三103之间，其中PIN二极管71的偏置电压通过焊盘二102加载。扼流电感91加载于焊盘一101和焊盘二102之间，电感值为120nH。隔直电容81加载于短路端的底端和焊盘一101之间，电容值为220pF。焊盘一101在Y轴方向上距离第二部分212底端的距离为0.8mm。焊盘一101和焊盘二102在X轴方向上相互平行，焊盘一101和焊盘二102在X轴方向上相距0.8mm。焊盘一101和焊盘三103在Y轴方向上相互平行，焊盘一101和焊盘三103在Y轴方向上相距0.8mm。SIR谐振器一21上的焊盘二102与信号馈线41处于同一侧，SIR谐振器二22上的焊盘二102与信号馈线41处于同一侧。
本发明中SIR谐振器一21上的信号馈线41作为输入端口，SIR谐振器二22上的信号馈线41作为输出端口。或者SIR谐振器一21上的信号馈线41作为输出端口，SIR谐振器二22上的信号馈线41作为输入端口。
本发明的输入端口和输出端口均采用SMA头焊接，以便接入测试或者与电路相连。
本结构通过合理设计滤波器的整体尺寸结构，调节加载在焊盘二102上的偏置电压来控制PIN二极管71的通断状态，达到了对电路结构在不同偏压下的改变，从而实现了不同的滤波器频率响应之间的切换。其中扼流电感91用于扼制交流信号通过焊盘102对外界直流信号源产生的干扰，同时防止不需要的交流信号通过焊盘102进入滤波器。隔直电容81用于防止通过焊盘102加载的直流信号进入滤波器，从而避免了直流信号对接在滤波器两端的其他设备产生干扰和损坏。当加载在焊盘二102上的电压为正时，PIN二极管71正偏，此时PIN二极管导通，介质基板1上微带结构此时通过焊盘103上的金属化过孔111接地，等效为终端短路的四分之一波长SIR谐振器，滤波器响应表现为带通，其中高阻线61为磁耦合最强区域，作用等效为一个电感，SIR谐振器的第一部分211为电耦合最强区域，此时通过混合电磁耦合和开路枝节引入传输零点，增强了本滤波器的选择性。当加载在焊盘102上的电压为负或者零时，PIN二极管71反偏或者零偏，此时PIN二极管截止，介质基板1上的微带结构相当于开路枝节，磁耦合系数迅速下降，通带左边的传输零点也随之消失，电路表现为典型低通电路，滤波器此时的频率响应表现为低通。而滤波器通带右边的传输零点由开路枝节和频变耦合产生，所以依然存在。当本发明滤波器中的两个PIN二极管71偏置不同，即一个正偏一个反偏时，滤波器无法正常工作。
滤波器的介质基板1包含多个金属化过孔111，金属化过孔111直径为0.4mm。滤波器的下层由金属铜完全覆盖，作为整个滤波器的地。
如图3、4所示，分别为本发明滤波器的带通和低通散射参数仿真与实测结果。从实测结果上来看，带通时中心频率为0.82GHz，3dB带宽为240MHz带内插损小于1dB；低通时3dB带宽为670MHz，带内插损小于1.7dB。从结果对比中可以看出，仿真和实测结果基本吻合，实测中心频率、3dB带宽以及传输零点位置与仿真设计一致，其中测量误差的***损耗略微偏大的原因是源于加工误差以及SMA接头搭接时存在一段阻抗不匹配。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，其特征在于：包括介质基板(1)，所述介质基板(1)上层印刷有微带线电路(2)，且所述介质基板(1)下层设有铜片(3)；
所述微带线电路(2)包括相同的SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)，所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)在介质基板(1)上相互对称，在介质基板(1)上取一点作为坐标原点，取SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)的对称轴作为Y轴，将平行于介质基板(1)且垂直于Y轴的方向作为X轴；
所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)均分为第一部分(211)和第二部分(212)，第一部分(211)的一端设为开路端，第二部分(212)的一端设为短路端，所述第一部分(211)远离开路端的端口与第二部分(212)远离短路端的端口相连，且所述第一部分(211)和第二部分(212)沿Y轴方向排布；所述第一部分(211)沿Y轴方向的长度小于第二部分(212)沿Y轴方向的长度，所述第一部分(211)沿X轴方向的宽度大于第二部分(212)沿X轴方向的宽度；
所述第二部分(212)上设有馈线(11)，所述馈线(11)包括信号馈线(41)和开路枝节(51)，所述信号馈线(41)与第二部分(212)垂直连接，所述信号馈线(41)与X轴平行，且SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)处于远离SIR谐振器二(22)的一侧，SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)处于远离SIR谐振器一(21)的一侧；所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)与SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)处于同一条水平线上；所述开路枝节(51)垂直设置在信号馈线(41)上；
所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)的第二部分(212)的短路端均包括开关结构(31)，所述开关结构(31)包括PIN二极管(71)、隔直电容(81)、扼流电感(91)、焊盘一(101)、焊盘二(102)和焊盘三(103)，所述焊盘三(103)上开设有金属化过孔(111)，所述PIN二极管(71)加载于焊盘二(102)和焊盘三(103)之间，所述扼流电感(91)加载于焊盘一(101)和焊盘二(102)之间，所述隔直电容(81)加载于短路端的底端和焊盘一(101)之间，且所述焊盘一(101)和焊盘二(102)在X轴方向上相互平行，所述焊盘一(101)和焊盘三(103)在Y轴方向上相互平行；所述SIR谐振器一(21)上的焊盘二(102)与信号馈线(41)处于同一侧，所述SIR谐振器二(22)上的焊盘二(102)与信号馈线(41)处于同一侧。
2.如权利要求1所述的一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，其特征在于：所述SIR谐振器一(21)和SIR谐振器二(22)的第二部分之间安装有高阻线(61)，所述高阻线(61)与SIR谐振器一(21)连接的端口垂直于SIR谐振器一(21)，所述高阻线(61)与SIR谐振器二(22)连接的端口垂直于SIR谐振器二(22)。
3.如权利要求1所述的一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，其特征在于：所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)作为输入端口，所述SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)作为输出端口；或者所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)作为输出端口，所述SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)作为输入端口。
4.如权利要求3所述的一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，其特征在于：所述信号馈线(41)的特性阻抗为50欧姆。
5.如权利要求1所述的一种基于SIR加载PIN二极管结构的频率响应可切换滤波器，其特征在于：所述SIR谐振器一(21)上的信号馈线(41)与SIR谐振器一(21)相连接的端部设置为倒角，所述SIR谐振器二(22)上的信号馈线(41)SIR谐振器二(22)相连接的端部设置为倒角。
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| CN201710341321.1A Expired - Fee Related CN107275725B (zh) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | 一种基于sir加载pin二极管结构的频率响应可切换滤波器 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108123193A (zh) * | 2018-02-07 | 2018-06-05 | 南京信息工程大学 | 一种t型源负载耦合的传输零点可调带通滤波器 |
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| CN102280678A (zh) * | 2011-05-27 | 2011-12-14 | 华南理工大学 | 具有恒定相对带宽的平衡式射频电调带通滤波器 |
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2017
- 2017-05-16 CN CN201710341321.1A patent/CN107275725B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN113013566B (zh) * | 2021-03-21 | 2022-01-28 | 南通大学 | 一种可开关的微带双巴伦 |
| CN113224495A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-06 | 南通大学 | 可开关谐振器结构及具有该结构的介质波导滤波器 |
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