阅读说明：本技术 一种基于GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路 (Reconfigurable ultra-wideband direct/high-pass filter circuit based on GaAs material ) 是由 王超杰 王睿 蔡雪芳 卢子焱 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微波电路技术领域,公开了一种基于GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路,包括GaAs基FET、平板电容、平面电感或高阻抗传输线、微带传输线及接地金属通孔。所述GaAs基FET开关管起直通或高通滤波器选择的功能,通过控制信号实现其处于导通或截止的工作状态,从而实现直通或高通滤波等功能的可重构；所述平板电容、平面电感或高阻抗传输线、接地金属通孔等组成高通滤波电路的基本单元,起高通滤波的功能；所述控制信号为GaAs基FET开关管控制信号,起控制GaAs基FET开关工作状态的作用,从而实现超宽带直通/高通滤波器电路的可重构。本发明提供的电路具有结构简单、低插损、低功耗、小型化及可重构等优点。(The invention relates to the technical field of microwave circuits, and discloses a reconfigurable ultra-wideband direct connection/high-pass filter circuit based on GaAs materials. The GaAs-based FET switching tube has the function of direct connection or high-pass filter selection, and is in a conducting or cut-off working state through a control signal, so that the reconstruction of functions such as direct connection or high-pass filtering is realized; the flat capacitor, the planar inductor or the high-impedance transmission line, the grounding metal through hole and the like form a basic unit of a high-pass filter circuit, and the basic unit plays a role in high-pass filtering; the control signal is a GaAs-based FET switch tube control signal which plays a role in controlling the working state of the GaAs-based FET switch, so that the reconstruction of the ultra-wideband direct/high-pass filter circuit is realized. The circuit provided by the invention has the advantages of simple structure, low insertion loss, low power consumption, miniaturization, reconfigurability and the like.)

一种基于GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路

技术领域

本发明涉及微波电路技术领域，尤其涉及一种基于GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路。

背景技术

宽带接收机一般具有瞬时宽开的技术特征，要求接收机具备超宽带、大动态和高灵敏度。在真实的电磁空间存在各种杂波干扰，存在手机通信、广播、导航、海事卫星通信等各种电磁信号，尤其是3GHz以下频段。由于各种杂波信号的存在，对于宽带电子战接收机易被杂波信号干扰，造成虚警或堵塞，影响接收机性能。

为减小3GHz以下频段杂波对宽带接收机的影响，一般采用开关滤波器的方式提高接收机杂波抑制性能，原理框图如图1所示。具体工作原理是：当某一时空内3GHz以下频段杂波信号较多影响接收机性能时，通过开关切换到高通滤波器模式进行工作，完成对3GHz以下频段的杂波抑制，改善接收机性能；当某一时空内3GHz以下频段杂波较少不影响接收机性能时，通过开关切换到直通模式进行工作，提高接收机工作带宽。

采用开关滤波器方案也能够解决超宽带接收机杂波抑制性能，但是也明显存在以下缺点：

1)采用开关滤波器方案，存在插损较大，影响接收机噪声系数；

2)采用开关滤波器方案，存在所用器件较多，体积较大，价格较高等缺点；

基于以上分析，传统的开关滤波器，用在超宽带接收机中存在插损过大，体积和价格相对较高等缺点，不能够满足低噪声、小型化及低成本等新一代宽带接收机的技术要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路，其开关电路和高通滤波器进行融合设计，具备插损低、体积小及可重构等技术特征。

本发明采用的技术方案如下：一种基于GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路，包括：基本单元和第一平板电容，所述基本单元以第一平板电容为中心，左右镜像对称级联，所述第一平板电容上并联有第一开关控制元件；

其中，最左侧的基本单元连接有输入端口，最右侧的基本单元连接有输出端口；

所述左侧的基本单元包括：第一微带传输线和第二微带传输线；

所述第一微带传输线的一端连接有第二开关控制元件和第二平板电容，所述第二开关控制元件和第二平板电容并联连接；所述第一微带传输线的另一端与第二微带传输线串联；

所述第一微带传输线和第二微带传输线之间并联有第三开关控制元件、感性元件及第二接地金属通孔；

所述第三开关控制元件、感性元件及第二接地金属通孔之间串联连接；

所述第三开关控制元件和感性元件之间并联有第四开关控制元件和第一接地金属通孔；

所述第四开关控制元件和第一接地金属通孔串联连接。

进一步的，所述第一开关控制元件、第二开关控制原件和第四开关控制元件连接有第一控制信号，所述第三开关控制元件连接有第二控制信号。

进一步的，所述第一控制信号和第二控制信号的信号电平为0/-5V，当信号电平为0V时，开关控制元件导通，当信号电平为-5V时，开关控制元件截止；所述第一控制信号和第二控制信号的工作状态互补。第一控制信号和第二控制信号控制第一至第四开关控制元件处于导通或截止的工作状态，从而实现直通或高通滤波等功能的可重构。

进一步的，所述感性元件选用平面电感或高阻抗传输线。

进一步的，所述平面电感或高阻抗传输线集成在GaAs材料基板上，所述平面电感的电感量根据高通滤波器阶数、滤波器通带插损和带外抑制确定，所述高阻抗传输线的的线宽和长度根据高通滤波器阶数、滤波器通带插损和带外抑制确定。

进一步的，所述第一开关控制元件、第二开关控制元件、第三开关控制元件和第四开关控制原件都选用GaAs基FET开关管。GaAs基FET开关管起直通或高通滤波器选择的功能。

进一步的，所述GaAs基FET开关管的器件参数由构成电路的工作频段、承受功率及通带插损决定。

进一步的，所述第一微带传输线和第二微带传输线的宽度按照50欧母特性阻抗设计，长度由可重构超宽带直通/高通滤波器电路工作频段的需求确定。

进一步的，所述第一平板电容和第二平板电容采用平板电容器和插指电容结构集成在GaAs材料基板上；所述第一平板电容和第二平板电容的容值大小及结构尺寸根据高通滤波器阶数、滤波器通带插损及带外抑制确定。

进一步的，所述超宽带直通/高通滤波器电路的滤波器阶数由基本单元的个数决定，所述滤波器阶数的计算公式如下：

M＝2*N+1；

其中，M表示可重构超宽带直通/高通滤波器电路的滤波器阶数，N表示该电路中基本单元的个数，N为大于等于2的自然数。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明以GaAs半导体材料为基础，其上集成设计GaAs基FET、平板电容、平面电感或高阻抗传输线、微带传输线及接地金属通孔等电路，实现可重构超宽带直通/高通滤波器电路。该电路结构简单、低插损、低功耗且小型化。

附图说明

图1是传统开关滤波器原理框图。

图2是本发明5阶可重构的超宽带直通/高通滤波器电路结构示意图。

图3是本发明所述可重构的超宽带直通/高通滤波器电路结构的左侧基本单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本发明提供一种基于GaAs半导体材料的可重构的超宽带直通/高通滤波器电路，该电路由多个基本单元组成和一个平板电容组成，平板电容上并联有一个GaAs基FET开关管。其中，多个基本单元以平板电容为中心，左右对称级联，左侧基本单元的电路结构和右边基本单元的电路结构成镜像关系，最左侧的基本单元连接有输入端口，最右侧的基本单元连接有输出端口，构成可重构的超宽带直通/高通滤波器电路。

基本单元主要包括GaAs基FET开关管、平板电容、平面电感、控制信号、微带传输线及接地金属通孔。所述微带传输线对外起与外部应用电路互联互通的作用，同时对内实现各电路元件之间的互联作用；所述GaAs基FET开关管起直通或高通滤波器选择的功能，通过控制信号实现其处于导通或截止的工作状态，从而实现直通或高通滤波等功能的可重构；所述平板电容、平面电感、接地金属通孔等组成高通滤波电路的基本单元，起高通滤波的功能；所述控制信号为GaAs基FET开关管的控制信号，起控制GaAs基FET开关工作状态的作用，从而实现超宽带直通/高通滤波器电路的可重构。

超宽带直通/高通滤波器电路的滤波器阶数主要由基本单元的个数决定，其阶数的计算公式如下，

M＝2*N+1；

其中，M表示滤波器的阶数，N表示基本单元的个数。

下面以拓扑结构为5阶的可重构超宽带直通/高通滤波器电路为例进行说明，如图2所示，其电路主要由GaAs基FET、平板电容、平面电感、微带传输线及接地金属通孔等组成。

其包括两个基本单元，左侧的基本单元包括：微带传输线2、微带传输线3、平板电容1、GaAs基FET1、GaAs基FET2、平面电感1、接地金属通孔2、GaAs基FET3和接地金属通孔1。

右侧的基本单元包括：微带传输线4、微带传输线5、平板电容3、GaAs基FET7、GaAs基FET5、平面电感2、接地金属通孔4、GaAs基FET6和接地金属通孔3。

可以看出，左侧的基本单元和右侧的基本单元的电路结构成镜像对称。

其电路的具体的拓扑结构描述如下：

在以GaAs半导体材料制成的基板表面集成有微带传输线1、微带传输线2、微带传输线3、微带传输线4、微带传输线5和微带传输线6；微带传输线1、微带传输线2、微带传输线3、微带传输线4、微带传输线5和微带传输线6之间依次串联。

微带传输线1和微带传输线2之间串联有平板电容1和GaAs基FET1，平板电容1和GaAs基FET1并联连接。

微带传输线2和微带传输线3之间并联有GaAs基FET2、平面电感1及接地金属通孔2，GaAs基FET2、平面电感1及接地金属通孔2之间采用串联连接。

GaAs基FET2和平面电感1之间并联连接有GaAs基FET3和接地金属通孔1，GaAs基FET3和接地金属通孔1之间采用串联连接。

微带传输线3和微带传输线4之间串联有平板电容2和GaAs基FET4，平板电容2和GaAs基FET4之间并联连接。

微带传输线4和微带传输线5之间并联有GaAs基FET5、平面电感2及接地金属通孔4，GaAs基FET5、平面电感2及接地金属通孔4之间采用串联连接。

GaAs基FET5和平面电感2之间并联连接有GaAs基FET6和接地金属通孔3，GaAs基FET6和接地金属通孔3之间采用串联连接。

微带传输线5和微带传输线6之间串联有平板电容3和GaAs基FET7，平板电容3和GaAs基FET7之间并联连接。

其中，微带传输线1为电路的输入端口，微带传输线路6为电路的输出端口。

微带传输线1～6的宽度按50欧母特性阻抗设计，长度由可重构超宽带直通/高通滤波器电路工作频段的需求而定。

GaAs基FET开关管1～7的器件参数由电路的工作频段、承受功率及通带插损等需求决定，控制信号电压为0V/-5V，其中0V时FET开关管导通，-5V时FET开关管截止。

平板电容1、平板电容2和平板电容3采用平板电容器和插指电容结构集成在GaAs材料制成的基板上，具体容值大小及结构尺寸可根据高通滤波器阶数、滤波器通带插损、带外抑制等指标确定。

平面电感1～2集成在GaAs材料基板上，平面电感的电感量可根据高通滤波器阶数、滤波器通带插损、带外抑制等指标确定。

接地金属通孔1～4集成在GaAs材料基板上，将设置在GaAs材料基板上的可重构的超宽带5阶直通/高通滤波器电路与GaAs材料基板的接地金属层相连导通；具体孔径大小，可由GaAs材料的微电子工艺确定。

控制信号1～2为GaAs基FET开关管的控制信号，信号电平为0/-5V，控制信号1和控制信号2工作状态互补。

具体的工作原理描述如下：

1)当低频段杂波干扰信号需要滤波处理时，由开关控制信号1控制GaAs基FET1、GaAs基FET3、GaAs基FET4、GaAs基FET6、GaAs基FET7工作在截止状态，截止状态的GaAs基FET开关管芯等效为很小的电容(小于0.1PF)，由开关控制信号2控制GaAs基FET2、GaAs基FET5工作在导通状态，导通状态的GaAs基FET开关管芯等效为很小的电阻(小于2欧母)，此时GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路工作于高通滤波器状态；

2)当低频段杂波干扰信号不需要滤波处理时，由开关控制信号1控制GaAs基FET1、GaAs基FET3、GaAs基FET4、GaAs基FET6、GaAs基FET7工作在导通状态，导通状态的GaAs基FET开关管芯等效为很小的电阻(小于2欧母)，由开关控制信号2控制GaAs基FET2、GaAs基FET5工作在截止状态，截止状态的GaAs基FET开关管芯等效为很小的电容(小于0.1PF)，此时GaAs材料的可重构超宽带直通/高通滤波器电路工作于直通状态。

基于上述工作原理分析，可重构超宽带直通/高通滤波器电路采用开关控制元件与滤波电路一体化融合设计，能够实现高通滤波器和直通两种工作状态的重构，具备低差损、小型化及低成本等技术特征。

实施例2

在实施例1的基础上，优选的，可选用高阻抗传输线代替平面电感，高阻抗传输线的线宽和长度可根据高通滤波器阶数、滤波器通带插损、带外抑制等指标确定。

本发明电路已在0.8～18GHz超宽带接收通道中进行原理验证，其通过控制信号可将超宽带接收通道工作在2.7～18GHz(高通滤波模式)频段或0.8～18GHz频段(直通模式)可选；其直通工作时插损小于1dB，高通滤波模式时通带插损小于1.5dB，边带2GHz处抑制大于20dBc，0.8GHz处抑制大于35dBc。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。