阅读说明：本技术 一种基于vo2的多功能滤波器 (Based on VO2Multifunctional filter ) 是由 张勇 曹天豪 邓乐 朱华利 胡江 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于微波频段滤波器设计技术领域,具体提供一种基于VO-(2)的多功能滤波器,包括：基板1,设置于基板上依次连接的输入50欧姆微带线2、第一级阻抗匹配结构至第N级阻抗匹配结构、以及输出阻抗匹配结构10,以及分别连接于其尾端的可调VO-(2)枝节对,可调VO-(2)枝节对包括尺寸相同的可调VO-(2)上枝节与可调VO-(2)下枝节。所有可调VO-(2)上枝节工作于第一工作温度,所有可调VO-(2)下枝节工作于第二工作温度；第一工作温度与第二工作温度分别决定了所有可调VO-(2)上枝节与所有可调VO-(2)下枝节的电导率,电导率的变化进一步决定了该滤波器的传输性质,即实现滤波器的多功能调节：既可作为宽带范围内的阻抗匹配过渡结构,也可实现低通滤波、带阻滤波的性质。(The invention belongs to the technical field of microwave frequency band filter design, and particularly provides a VO (voltage-induced volume) based filter 2 The multifunctional filter of (1), comprising: a substrate 1, an input 50 ohm microstrip line 2, a first-stage impedance matching structure to an Nth-stage impedance matching structure, and an output impedance matching structure 10 arranged on the substrate and connected in sequence, and an adjustable VO connected to the tail end of the substrate 2 Branch node pair, adjustable VO 2 The branch node pair comprises adjustable VOs with the same size 2 Upper branch node and adjustable VO 2 And (5) lower branch nodes. All tunable VOs 2 All the adjustable VOs work at the first working temperature 2 The lower branch knot works at a second working temperature; the first working temperature and the second working temperature respectively determine all adjustable VOs 2 Upper branch node and all adjustable VO 2 The conductivity of the lower branch and the change of the conductivity further determine the transmission property of the filter, namely, the multifunctional regulation of the filter is realized: the impedance matching transition structure can be used in a broadband range, and the properties of low-pass filtering and band-stop filtering can be realized.)

一种基于VO2的多功能滤波器

技术领域

本发明属于微波频段滤波器设计技术领域，具体涉及一种基于VO₂的多功能滤波器。

背景技术

在微波频段，滤波器被广泛应用于各种板级射频电路和收发组件中，在民用通信领域和军事应用中具有重大价值；其中，微带滤波器以其体积小、重量轻、频带宽等诸多优点应用尤其广泛。为了适应多频段的通信要求，同时又要减少滤波器的数量，多功能滤波器成果一个有效解决方法，多功能滤波器可以在不增加谐振器数量和微带枝节的前提下满足通信系统多方面的要求。

相变材料二氧化钒(VO₂)是一种拥有非金属-金属的相变特性的氧化物，在加热、光照、电刺激等外界刺激下，其电阻将从0.1Ω至3×10^-6Ω变化，并伴随着电学、光学、磁性和晶格结构的变化，它的相变过程是可逆的。

基于此，本发明基于二氧化钒(VO₂)的相变特性设计得到一种基于VO₂的多功能滤波器。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于VO₂的多功能滤波器，该多功能滤波器通过分别控制上下VO₂可调枝节温度来使器件处于不同的工作状态，当上下枝节温度均低于相变温度68度时，滤波器处于阻抗匹配工作状态，当上下枝节温度一侧低于相变温度68度，一侧高于相变温度68度时，滤波器处于带阻滤波器工作状态，当上下枝节温度均高于相变温度68度时，滤波器处于低通滤波器工作状态。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于VO₂的多功能滤波器，包括：基板1，以及设置于基板上的输入50欧姆微带线2、输入可调VO₂枝节对3、N级阻抗匹配结构、N级可调VO₂枝节对、及输出阻抗匹配结构10；其中，所述输入50欧姆微带线2、第一级阻抗匹配结构至第N级阻抗匹配结构、以及输出阻抗匹配结构10依次连接，且位于基板的中心线上；所述输入可调VO₂枝节对由尺寸相同的输入可调VO₂上枝节与输入可调VO₂下枝节构成，且输入可调VO₂上枝节与输入可调VO₂下枝节分别垂直连接于输入50欧姆微带线的尾端；所述第n级可调VO₂枝节对由尺寸相同的第n级可调VO₂上枝节与第n级可调VO₂下枝节构成，且第n级可调VO₂上枝节与第n级可调VO₂下枝节分别垂直连接于第n级阻抗匹配结构的尾端；n＝1、2、...、N(N≥4)。

进一步的，所述输入50欧姆微带线2、第一级阻抗匹配结构至第N级阻抗匹配结构的宽度依次递增。

进一步的，所述输入可调VO₂上枝节、第一级可调VO₂上枝节至第N级可调VO₂上枝节工作于第一工作温度，所述输入可调VO₂下枝节、第一级可调VO₂下枝节至第N级可调VO₂下枝节工作于第二工作温度；当第一工作温度和第二工作温度高于相变温度，所有可调VO₂枝节处于导体态，滤波器工作于高低阻抗线低通滤波器状态；当第一工作温度或第二工作温度高于相变温度，所有可调VO₂上枝节或可调VO₂下枝节处于导体态，滤波器工作于带阻滤波器状态；当第一工作温度和第二工作温度低于相变温度，所有可调VO₂枝节处于绝缘态，滤波器工作于阻抗匹配过渡结构状态。

从工作原理上讲：

本发明提供一种基于VO₂的多功能滤波器，其中，所有可调VO₂上枝节工作于第一工作温度，所有可调VO₂下枝节工作于第二工作温度；基于VO₂的相变特征，第一工作温度与第二工作温度分别决定了所有可调VO₂上枝节与所有可调VO₂下枝节的电导率，电导率的变化进一步决定了该滤波器的传输性质，即实现滤波器的多功能调节：当第一工作温度和第二工作温度高于相变温度(68摄氏度)，所有可调VO₂枝节处于导体态，滤波器工作于高低阻抗线低通滤波器状态；当第一工作温度或第二工作温度高于相变温度，所有可调VO₂上枝节或可调VO₂下枝节处于导体态，滤波器工作于带阻滤波器状态；当第一工作温度和第二工作温度低于相变温度，所有可调VO₂枝节处于绝缘态，滤波器工作于阻抗匹配过渡结构状态。

进一步的，各级阻抗匹配结构和各级可调VO₂枝节对相互耦合，调节各VO₂枝节的长度和宽度使得滤波器的工作带宽得以拓展、以满足实际应用需求，并且回波损耗更优；同时，通过控制同侧相邻VO₂枝节间的距离使得电磁波相互耦合，进一步提高器件处于滤波器状态时的带内平坦度和带外抑制能力。

综上，本发明的有益效果在于：

本发明基于具有相变性质的金属氧化物VO₂枝节，通过两个工作温度的控制，实现了多功能滤波器，既可作为宽带范围内的阻抗匹配过渡结构，也可根据VO₂的温控特性，通过温度的精准控制来使该器件实现低通滤波、带阻滤波的性质。

附图说明

图1为本发明实施例中多功能滤波器的结构俯视图。

图2为本发明实施例中多功能滤波器的结构侧视图。

图3为本发明实施例中多功能滤波器的结构说明图；其中，1为基板，2为输入50欧姆微带线，3为输入可调VO₂枝节对，4为第一级阻抗匹配结构，5为第一级可调VO₂枝节对，6为第二级阻抗匹配结构，7为第二级可调VO₂枝节对，8为第三级阻抗匹配结构，9为第三级可调VO₂枝节对，10为输出阻抗匹配结构。

图4为本发明实施例中多功能滤波器结构处于低通滤波器状态时的回拨损耗仿真曲线。

图5为本发明实施例中多功能滤波器结构处于低通滤波器状态时的插入损耗仿真曲线。

图6为本发明实施例中多功能滤波器结构处于带阻滤波器状态时的回拨损耗仿真曲线。

图7为本发明实施例中多功能滤波器结构处于带阻滤波器滤波器状态时的插入损耗仿真曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与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以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于VO₂的多功能滤波器，其结构如图1～图3所示，包括：基板1，以及设置于基板上的输入50欧姆微带线2、输入可调VO₂枝节对3、第一级阻抗匹配结构4、第一级可调VO₂枝节对5、第二级阻抗匹配结构6、第二级可调VO₂枝节对7、第三级阻抗匹配结构8、第三级可调VO₂枝节对9及输出阻抗匹配结构10；其中，所述输入50欧姆微带线2、第一级阻抗匹配结构4、第二级阻抗匹配结构6、第三级阻抗匹配结构8、输出阻抗匹配结构10依次连接，且位于基板的中心线上；所述输入可调VO₂枝节对3由尺寸相同的输入可调VO₂上枝节与输入可调VO₂下枝节构成，且输入可调VO₂上枝节与输入可调VO₂下枝节分别垂直连接于输入50欧姆微带线的尾端，所述第一级(或第二级、或第三级)可调VO₂枝节对由尺寸相同的第一级(或第二级、或第三级)可调VO₂上枝节与第一级(或第二级、或第三级)可调VO₂下枝节构成，且第一级(或第二级、或第三级)可调VO₂上枝节与第一级(或第二级、或第三级)可调VO₂下枝节分别垂直连接于第一级(或第二级、或第三级)阻抗匹配结构的尾端；使得整个器件关于呈对称结构。

需要说明的是，以第二级阻抗匹配结构为例，其首端指第二级阻抗匹配结构与第一级阻抗匹配结构的连接端、尾端指第二级阻抗匹配结构与第三级阻抗匹配结构的连接端。另外，根据设计者所需工作频带的不同和对回波损耗以及插入损耗要求的不同，阻抗匹配结构及其对应连接的可调VO₂枝节对的级数、阻抗匹配结构的尺寸(长度与宽度)、以及可调VO₂枝节对中上/下枝节的尺寸(长度与宽度)均可灵活变化，直至满足要求为止。

根据系统需要，可改变该器件所处温度，使得VO₂导电能力发生变化，使其从绝缘态到金属态过渡，通过精准的温度控制使得其S参数传输矩阵可调，进而实现该器件功能上从阻抗过渡结构到低通滤波器、带阻滤波器、均衡器的变化。

更进一步的，本实施例中，选择厚度为0.127mm的Rogers RT/duroid 5880(tm)基板，在三维电磁仿真软件High Frequency Structure Simulator(HFSS)中建立起如图1、图2所示的滤波器结构，各结构名称和特征如下表一所示。其中，各枝节及阻抗匹配结构(微带)的长度和宽度均可根据需要进行调整来实现更优的回波损耗以及更低的插入损耗；最终仿真结果如下图4～图7所示。

表一：基于VO₂的多功能滤波器各结构尺寸

结构名称	结构特征
		基板1	长度13.5mm，宽度12mm，厚度0.127mm
输入50欧姆微带线2	长度2.5mm，宽度0.6mm
		输入可调VO<sub>2</sub>枝节对3	长度3mm，宽度0.5mm
第一级阻抗匹配结构4	长度2.8mm，宽度0.65mm
		第一级可调VO<sub>2</sub>枝节对5	长度4mm，宽度0.8mm
第二级阻抗匹配结构6	长度3mm，宽度1mm
		第二级可调VO<sub>2</sub>枝节对7	长度3.5mm，宽度1mm
第三级阻抗匹配结构8	长度3.2mm，宽度1.2mm
		第三级可调VO<sub>2</sub>枝节对9	长度3mm，宽度1.2mm
输出阻抗匹配结构10	长度2.5mm，宽度0.6mm

如图4和图5所示分别为当上、下两侧VO₂枝节全都处于金属态时的仿真回波损耗曲线和插入损耗曲线，此时VO₂枝节的体电导率为50000siemens/m，可以看出，此时该结构可以使0～0.5GHz的电磁波无耗通过，而对高频的信号有良好的抑制作用，工作在低通滤波器状态；如图6和图7所示分别为当上、下两侧VO₂枝节分别处于绝缘态和金属态时的仿真回波损耗曲线和插入损耗曲线，此时VO₂枝节的体电导率为140siemens/m，可以看出，此时该结构呈现出带阻特性，其阻带为0.5～2.5GHz；由此可见，本发明提供的基于VO₂的多功能滤波器实现了宽频带内的多功能。当两侧温度低于相变温度68度时，VO₂电导率为140siemens/m，VO₂枝节处于绝缘状态，此时滤波器处于阻抗变换工作状态。当温度高于相变温度68度时，滤波器处于低通滤波器工作状态。当温度使得两侧枝节一侧为导体态，一侧为绝缘态，此时滤波器处于带阻滤波器工作状态。综上，该多功能滤波器实现了多种工作模式的可调。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。