一种可切换式的可重构双工器/带通滤波器
阅读说明：本技术 一种可切换式的可重构双工器/带通滤波器 (Switchable reconfigurable duplexer/band-pass filter ) 是由 张巧利 王秉中 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可切换式的可重构双工器/带通滤波器,属于微波毫米波领域。本发明基于SIW可重构双模谐振器,采用多层结构实现了可重构双工器、不同端口输出的双频带可重构带通滤波器、不同端口输出的单频带可重构带通滤波器等多种工作模式的切换。本发明通过在基片集成波导谐振腔中加载可调电容来实现连续调节各个谐振腔的工作频率和带宽,在输入输出馈线上加载可调电容来实现外部品质因数的调节,并且采用在匹配网络设置PIN二极管作为可切换器件,实现独立地控制各种工作模式。本发明采用多层结构实现双工器和滤波器的设计不仅可以减小器件的平面面积,还可以提高集成化和便携性,应用场景极为广泛。(The invention discloses a switchable reconfigurable duplexer/band-pass filter, and belongs to the field of microwave and millimeter waves. The invention is based on the SIW reconfigurable dual-mode resonator, and adopts a multilayer structure to realize the switching of multiple working modes such as a reconfigurable duplexer, a dual-band reconfigurable band-pass filter output by different ports, a single-band reconfigurable band-pass filter output by different ports and the like. The invention realizes the continuous adjustment of the working frequency and the bandwidth of each resonant cavity by loading the adjustable capacitor in the substrate integrated waveguide resonant cavity, realizes the adjustment of the external quality factor by loading the adjustable capacitor on the input/output feeder line, and realizes the independent control of various working modes by arranging the PIN diode as a switchable device in the matching network. The invention adopts a multilayer structure to realize the design of the duplexer and the filter, not only can reduce the plane area of the device, but also can improve the integration and the portability, and has wide application scenes.)
技术领域
本发明属于微波毫米波领域，具体涉及一种可切换式的可重构双工器和带通滤波器。
背景技术
双工器是射频前端收发系统中必不可少的组件，它作为隔离元器件连接收发系统并提供滤波功能。随着移动通讯系统的快速发展，双工器对于双频段甚至是多频段通讯系统的重要性日益凸显，而多功能通信也使得频带拥挤、电磁干扰等问题变得日益突出，给信号的分离工作带来了很大的难度。而可重构双工器，能够实现快速分离多频带信号、有效利用频谱和减小电路尺寸面积，大大促进了射频前端电路的小型化与集成化，具有广泛的发展前景。
双工器一般由匹配网络和两个滤波器单元构成，因此，可重构双工器的实现也可以分为匹配网络的可重构设计和滤波器单元的可重构设计。对于可重构双工器的研究难点主要在于通道滤波单元的选择和公共连接端口的匹配设计。传统固定频率的双工器，一般由两个不同中心频率的滤波单元通过公共的匹配网络实现的，该匹配网络通常由T型枝节或共用谐振器来实现，但是，由于可重构双工器其在调谐过程中，每个信道到公共端口的输入阻抗会随着信道中心频率的变化而变化，会产生失配，进而恶化性能。所以，相对于可重构滤波器，可调双工器很难设计出这样一个匹配网络或者公共谐振器，使得在调谐过程中，其性能满足所有信道。而从特性而言，可重构双工器主要有频率可重构、带宽可重构或者两者之间的组合。实现频率可重构的主要方法有谐振器加载变容二极管、PIN二极管及MEMS器件调节等技术，而带宽可重构是指双工器的各个通道的带宽可实现一定范围的调节，主要是通过采用多模谐振器和变容二极管的方法来实现。到目前为止，国内外对可重构双工器的研究还不是很多，并且现有的可重构双工器设计其性能均有待改进。
目前，大部分的可重构双工器都是能够在特定频率范围内对中心频率和带宽进行调节，而随着无线通信技术的发展，一些可切换技术已经被应用于对双工器的工作状态进行切换，如2016年在IEEE Microwave Wireless Component Letter期刊(vol.26，no.1，pp:13-15，.vol.26，no.2，pp:101-103)上发表的“Compact switchable bandpass filter andits application to switchable diplexer design”和“A microstrip switchablefilter with four operating modes”等论文都对可切换双工器和滤波器进行了研究。但相比于可重构双工器，可切换式可重构双工器和滤波器的相关研究则更加匮乏。
发明内容
针对现有技术存在的问题和不足，本发明提出一种可切换式的可重构双工器和滤波器，基于SIW(基片集成波导)可重构双模谐振器，采用多层结构实现了可重构双工器、不同端口输出的双频带可重构带通滤波器、不同端口输出的单频带可重构带通滤波器等多种工作模式的切换。本发明通过在基片集成波导谐振腔中加载可调电容来实现连续调节各个谐振腔的工作频率和带宽，在输入输出馈线上加载可调电容来实现外部品质因数的调节，并且采用在匹配网络设置PIN二极管作为可切换器件，实现独立地控制各种工作模式。
本发明具体采用如下技术方案：
一种多工作模式可切换的可重构双工器/滤波器，包括从下至上层叠设置的第一金属层(1)、第一介质基板(2)、第二金属层(3)、第二介质基板(4)、第三金属层(5)；所述第一介质基板(2)上设置有一级金属化通孔阵列(11)，第一金属层(1)与第二金属层(3)之间通过一级金属化通孔阵列(11)相连，并且与一级金属化通孔阵列(11)共同构成第一双模谐振腔；所述第二介质基板(4)上设置有二级金属化通孔阵列(20)，第二金属层(3)与第三金属层(5)之间通过二级金属化通孔阵列(20)相连，并且与金属化通孔阵列(20)共同构成第二双模谐振腔。
所述一级金属化通孔阵列(11)和二级金属化通孔阵列(20)均为矩形阵列，矩形阵列的两侧均设置有开口。
所述第一金属层(1)中部设置有四个第一环形槽(6)，在每一个第一环形槽(6)上均设置有一个第一可变电容(7)；所述第一可变电容(7)的两端分别连接第一环形槽(6)内、外的第一金属层(1)，并且第一环形槽(6)内部的第一金属层(1)通过一个贯穿第一介质基板(2)的第一金属化通孔(12)连接到第二金属层(3)。
所述第一金属层(1)上还设置有第一共面波导(8)，第一共面波导(8)为L型共面波导，其横向枝节穿过一级金属化通孔阵列(11)的左侧开口伸入其内部，横向枝节的末端为T形结构，T形结构纵向枝节上设置有两个第一槽线(9)，将T形结构纵向枝节分为三段，两端的T形结构纵向枝节分别通过第二可变电容(10)与中间段T形结构纵向枝节相连，两端的T形结构纵向枝节还分别通过贯穿第一介质基板(2)的第二金属化通孔(14)与第二金属层(3)相连接；第一共面波导(8)的纵向枝节末端通过贯穿第一介质基板(2)、第二金属层(3)、第二介质基板(4)的第三金属化通孔(13)与第五共面波导(28)相连接。
进一步地，所述第一共面波导(8)的纵向枝节左侧外围设置有贯穿第一介质基板(2)、连通第一金属层(1)和第二金属层(3)的第一金属化通孔阵列(15)。
所述第二金属层(3)上设置有第二共面波导(18)、开槽(17)；所述第二共面波导(18)的左侧穿过一级金属化通孔阵列(11)和二级金属化通孔阵列(20)的右侧开口伸入其内部，第二共面波导(18)的右侧平滑连接带状线(19)；所述带状线(19)的另一端通过贯穿第二介质基板(4)的第四金属化通孔(24)连接第三共面波导(27)；所述开槽(17)用于使第三金属化通孔(13)穿过并不与第二金属层(3)接触。
所述第三金属层(5)中部设置有四个第二环形槽(25)，在每一个第二环形槽(25)上均设置有一个第三可变电容(26)；所述第三可变电容(26)的两端分别连接第二环形槽(25)内、外的第三金属层(5)，并且第二环形槽(25)内部的第三金属层(5)通过一个贯穿第二介质基板(4)的第五金属化通孔(21)连接到第二金属层(3)。
所述第三金属层(5)上还设置有第三共面波导(27)、第四共面波导(31)、第五共面波导(28)、第六共面波导(36)；所述第三共面波导(27)的右端设置有输入输出端口P1，左端通过第四金属化通孔(24)连接带状线(19)。
进一步地，所述第三共面波导(27)的上下两侧还设置有第二金属化通孔阵列(16)，所述第二金属化通孔阵列(16)贯穿第一介质基板(2)和第二介质基板(4)，连接第一金属层(1)和第三金属层(5)。
所述第四共面波导(31)为T形结构，其横向枝节左端设置有输入输出端口P3，设置有纵向枝节的右侧穿过二级金属化通孔阵列(20)的开口伸入其内部；第四共面波导(31)的纵向枝节上设置有两个第二槽线(32)，将第四共面波导(31)的纵向枝节分为三段，两端的纵向枝节分别通过第四可变电容(33)与中间段纵向枝节相连；第四共面波导(31)的左侧设置有将其分为两段的第三槽线(34)，两段之间通过第一可切换器件(35相连接。
所述第五共面波导(28)平行设置于第四共面波导(31)的下方，其左端设置有输入输出端口P2，右侧设置有将其分为两段的第四槽线(29)，两段之间通过第二可切换器件(30)相连接。
所述第六共面波导(36)用于连接第五共面波导(28)与第四共面波导(31)，第六共面波导(36)上设置有将其分为两段的第五槽线(37)，两段之间通过第三可切换器件(38)相连接。
进一步地，所述第五共面波导(28)与第四共面波导(31)的上下两侧设置有贯穿第二介质基板(4)、连通第三金属层(5)和第二金属层(3)的第三金属化通孔阵列(23)。
进一步地，所述第一双模谐振腔和第二双模谐振腔均为矩形基片集成波导谐振腔。
进一步地，所述第一双模谐振腔和第二双模谐振腔采用的双模为TE102和TE201模。
进一步地，所述第一环形槽(6)和第二环形槽(25)为圆形、正方形或长方形环形槽。
进一步地，所述可变电容(7、10、26、33)为变容二极管或者RF MEMS可变电容。
进一步地，所述可切换器件(30、35、38)为PIN二极管或者MEMS开关。
可重构双工器的两个通道分别由两个工作于不同中心频率的可重构带通滤波器实现。第一通道的可重构滤波器的中心频率由第一双模谐振腔的长和宽决定，中心频率由设置于第一金属层(1)的四个第一可变电容(7)来连续调节。第二通道的可重构滤波器的中心频率由第二双模谐振腔的长和宽决定，中心频率由设置于第三金属层(5)的四个第三可变电容(26)来连续调节。第一通道中心频率和第二通道中心频率可实现单独调节，互不影响；由于第一通道和第二通道均由双模谐振腔实现，每个通道的通带两侧各有一个传输零点，有效提高了滤波器的带外抑制特性和双工器的隔离度。
通过改变可切换器件(30、35、38)的工作状态可以实现可重构滤波器和可重构双工器工作模式的切换，具体工作方式为：
1.当可切换器件(30、35)为通的状态，38为断的状态时，工作端口为输入输出端口P1、P2和P3，工作模式为可重构双工器；通过改变可变电容(7、10)的电容值来实现第一通道的通带频率和带宽的连续调节，通过改变可变电容(26、33)的电容值来实现第二通道的通带频率和带宽的连续调节。
2.当可切换器件(35)为断的状态，可切换器件(30、38)为通的状态时，工作端口为输入输出端口P1和P2，工作模式为可重构器双频带通滤波器；通过改变可变电容(7、10)的电容值来实现第一通带频率和带宽的连续调节，通过改变可变电容(26、33)的电容值来实现第二通带频率和带宽的连续调节。
3.当可切换器件(30)为通的状态，可切换器件(35、38)为断的状态时，工作端口为输入输出端口P1和P2，工作模式为可重构单频带通滤波器。单频带通滤波器的中心频率由第一双模谐振腔的尺寸决定，通过改变可变电容(7、10)的电容值来实现通带频率和带宽的连续调节。
4.当可切换器件(38)为通的状态，可切换器件(30、35)为断的状态时，工作端口为输入输出端口P1和P2，工作模式为可重构单频带通滤波器。单频带通滤波器的中心频率由第二双模谐振腔的尺寸决定，通过改变可变电容(26、33)的电容值来实现通带频率和带宽的连续调节。
5.当可切换器件(35)为通的状态，可切换器件(30、38)为断的状态时，工作端口为输入输出端口P1和P3，工作模式为可重构单频带通滤波器。单频带通滤波器的中心频率由第二双模谐振腔的尺寸决定，通过改变可变电容(26和33)的电容值来实现通带频率和带宽的连续调节。
6.通过组合工作模式(3)和(4)可实现宽频带范围内的通带频率和带宽的连续调节。
本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：
1、本发明的可调双工器的两个通道都采用的双模滤波器，与单模滤波器相比，双模谐振腔实现的滤波器将所需谐振器的数量减少一半，从而减少了滤波器的电路面积。并且还具有插入损耗低、选择性好谐波抑制特性好等优点。而采用对双模谐振器进行可调节设计，在缩减了电路尺寸的同时还采用分别调节每个模式的谐振频率而改变滤波器的耦合强度，从而调节滤波器的带宽，节省了耦合强度调节元件的加载。
2、采用多层结构实现双工器和滤波器的设计不仅可以减小器件的平面面积，还可以提高集成化和便携性，满足人们对电子产品尤其是通信产品越来越高的便携性和集成化的要求。
3、本发明可实现双工器、双频和单频带通滤波器等多种工作模式之间的切换，应用场景极为广泛。可重构双工器工作模式的每个通道的通带都可以单独调节频率和带宽，互不影响。可重构双频带通滤波器可实现第一通带固定、调节第二通带，或第二通带固定、调节第一通带，或第一和第二通带同步或异步调节，或第一通带和第二通带合并为一个可调节通带等多种应用组合。可重构单频带通滤波器能够实现各端口的独立输出，并且可实现频率和带宽的独立调节。
附图说明
图1为一种可切换式可重构双工器/滤波器的三维示意图；
图2(a)为一种可切换式可重构双工器/滤波器第一金属层示意图；
图2(b)为一种可切换式可重构双工器/滤波器第一介质基板层示意图；
图2(c)为一种可切换式可重构双工器/滤波器第二金属层示意图；
图2(d)为一种可切换式可重构双工器/滤波器第二介质基板层示意图；
图2(e)为一种可切换式可重构双工器/滤波器第三金属层示意图；
图3(a)为可重构双工器模式的第一通道单独调节中心频率时的传输特性曲线；
图3(b)为可重构双工器模式的第二通道单独调节中心频率时的传输特性曲线；
图4为可重构双工器模式的两个通道单独调节带宽时的传输特性曲线；
图5为可重构双频带通滤波器模式的两个通带单独调节中心频率时的传输特性曲线；
图6为可重构单频带通滤波器模式的第一通带单独调节中心频率时的传输特性曲线；
图7为可重构单频带通滤波器模式的第二通带单独调节中心频率时的传输特性曲线。
附图标记说明：1第一金属层；2第一介质基板；3第二金属层；4第二介质基板；5第三金属层；6第一环形槽；7第一可变电容；8第一共面波导；9第一槽线；10第二可变电容；11一级金属化通孔阵列；12第一金属化通孔；13第三金属化通孔；14第二金属化通孔；15第一金属化通孔阵列；16第二金属化通孔阵列；17开槽；18第二共面波导；19带状线；20二级金属化通孔阵列；21第五金属化通孔；22第六金属化通孔；23第三金属化通孔阵列；24第四金属化通孔；25第二环形槽；26第三可变电容；27第三共面波导；28第五共面波导；29第四槽线；30第二可切换器件；31第四共面波导；32第二槽线；33第四可变电容；34第三槽线；35第一可切换器件；36第六共面波导；37第五槽线；38第三可切换器件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案。
实施例
本实施例中一种可切换式可重构双工器/滤波器的结构如图1所示，第一介质基板(2)和第二介质基板(4)均采用厚度为0.508mm的Rogers Duroid 6002基板，其相对介电常数εr＝2.9，损耗角正切tanδ＝0.0012。
具体的，在本实施例中，所述第一双模谐振腔和第二双模谐振腔均为矩形基片集成波导谐振腔；所述一级金属化通孔阵列(11)和二级金属化通孔阵列(20)由长方体金属化通孔组成，长方体金属化通孔的通孔长度和宽度分别为1mm和0.3mm，相邻通孔中心之间的间距为1.8mm；所述第一双模谐振腔的长度L1＝19.7mm，宽度W1＝19mm，其TE102和TE201模式的谐振频率为10GHz；所述第二双模谐振腔的长度L2＝17.8mm，宽度W1＝17.3mm，其TE102和TE201模式的谐振频率为11GHz；所述金属化通孔(12、21)为圆柱体金属化通孔；所述第一环形槽(6)和第二环形槽(25)为正方形；所述开槽(17)为圆形开槽；所述金属化通孔(13、14、22、24)均为圆柱形金属化通孔；所述金属化通孔阵列(15、16、23)均由圆柱体金属化通孔组成；所述输入输出端口P1-P3均采用共面波导结构实现；所述第二共面波导(18)通过带状线(19)和第四金属化通孔(24)与第三共面波导(27)相连作为输入输出端口P1的馈线，可分别或同时对第一双模谐振腔和第二双模谐振腔进行馈电；所述第五共面波导(28)作为输入输出端口P2的馈线，可对第一双模谐振腔进行馈电；所述第四共面波导(31)作为输入输出端口P3的馈线，可对第二双模谐振腔进行馈电；所述可变电容(7、10、26、33)均为变容二极管，其电容值分别为C1、C2、Cout1和Cout2；所述可切换器件(30、35、38)均为PIN二极管，分别编号为PIN1、PIN2和PIN3。
该可切换式可重构双工器/滤波器的工作方式为：通过对三个PIN二极管的通和断状态进行组合可以实现各种工作模式之间的切换，通过调节变容二极管(7、26)的电容值可以分别控制第一双模谐振腔和第二双模谐振腔的谐振频率，当变容二极管(7、26)的电容值C1和C2分别增大时，第一双模谐振腔和第二双模谐振腔的谐振频率分别独立地往低频方向移动。通过调节变容二极管(10、33)的电容值Cout1和Cout2可以分别改变两个滤波器的外部品质因数，对滤波器的回波损耗和传输特性做出调节，以保证滤波器性能的稳定。另外，通过适当调节电容值C1、C2、Cout1和Cout2，还可以实现对两个通带带宽的调节。
在确定上述相关参数的情况下，经电磁仿真，该可切换式可重构双工器/滤波器的传输特性如图3-7所示。
图3(a)和(b)所示为当可切换器件PIN1和PIN2为通，PIN3为断的状态，工作端口为输入输出端口P1、P2和P3，工作模式为可重构双工器模式时两个通道分别单独调节中心频率的传输特性曲线。由图可见，当固定C2＝0pF，C1从0.5pF调节到0pF时，双工器第一通道中心频率的连续可调范围为8GHz-10GHz，频率调节范围达到25％，插入损耗的变化范围为2.0dB到2.5dB；当固定C1＝0pF，C2从0.15pF调节到0pF时，双工器第二通道中心频率的连续可调范围为10.4GHz-11GHz，频率调节范围达到5.8％，插入损耗的变化范围为2.2dB到2.5dB。图4所示为可重构双工器模式时两个通道单独调节带宽的传输特性曲线，由图可见，当两个通道的中心频率分别保持恒定为10GH和11GHz时，其相对带宽的连续调节范围分别为1.6％到2.9％，1.2％到2.6％，插入损耗的变化范围为1.2dB到2.5dB。
图5为当PIN2为断，PIN1和PIN3为通的状态，工作端口为输入输出端口P1和P2，工作模式为可重构双频带通滤波器时两个通带调节中心频率时的传输特性曲线。由图可见，当可变电容C1从0.2pF调节到0pF时，第一通带中心频率的连续调节范围为9.36GHz-10GHz，当可变电容C2从0.1pF调节到0pF时，第二通带中心频率的连续调节范围为10.61GHz-11GHz，插入损耗均小于2.6dB。
图6所示为当PIN1为通，PIN2和PIN3为断的状态时，工作端口为输入输出端口P1和P2，工作模式为可重构单频带通滤波器，由图可见，当可变电容C1从0.5pF调节到0pF时，输出通带中心频率的连续调节范围为8.03GHz-10GHz，插入损耗变化范围为1.5dB到2.4dB。
图7所示为当PIN3为通，PIN1和PIN2为断的状态时，工作端口为输入输出端口P1和P2，工作模式为可重构单频带通滤波器时的传输特性曲线，由图可见，当可变电容C2从0.15pF调节到0pF时，输出通带中心频率的连续调节范围为10.3GHz-11GHz，插入损耗小于2.5dB。
另外，通过设置PIN2为通，PIN1和PIN3为断的状态，可以实现工作端口为输入输出端口P1和P3的可重构器带通滤波器工作模式，此时输出通带中心频率的连续调节范围位于10.0GHz-11GHz，同时通带带宽也可以连续调节；通过设置工作端口为输入输出端口P1和P2，设置PIN2为断，然后先设置PIN1为断，PIN3为通，再设置PIN1为通，PIN3为断的状态，可以组合两个通带中心频率的连续调节来实现在8GHz-11GHz的宽频段范围内的频率和带宽调节。
可以看出，本发明所述的一种可切换式可重构双工器和带通滤波器不仅可以在双工器和带通滤波器等多种工作模式之间切换，在较宽的频率范围内实现通带中心频率的调谐，带宽的调节，而且还具有滤波性能稳定、通带性能可控、插入损耗低等优点。
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