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        基于山字形諧振結構的六狀態(tài)可重構微帶濾波器的設計

        2020-04-08 11:02:08李國強劉北佳
        黑龍江科學 2020年4期
        關鍵詞:枝節(jié)奇偶微帶

        李國強,劉北佳

        (1.哈爾濱市科佳通用機電股份有限公司,哈爾濱 150006; 2.哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院,哈爾濱 150001)

        1 前言

        近年來,由于智能無線通信系統(tǒng)的發(fā)展,要求射頻前端能夠滿足多種應用需求、支持多個通信系統(tǒng)動態(tài)切換工作,實現(xiàn)多個頻段信號傳輸以及抑制干擾信號的能力。在射頻前端中,濾波器必不可少??芍貥嫗V波器的實現(xiàn)與應用對于智能無線通信具有重要意義[1-2]。目前,已有重構頻率和重構帶寬的研究成果,其中,實現(xiàn)純粹帶通的頻率重構技術較多[3],具有不同頻帶特性的多狀態(tài)可重構濾波器有待進一步研究實現(xiàn)。提出了一種基于耦合多模諧振器的可重構微帶濾波器。它由可重構的山字形諧振器、微帶主饋線、介質基板和金屬地板構成。在主饋線引入開關,控制著電磁能量傳輸?shù)穆窂剑M而使所集成的諧振器發(fā)揮帶通或帶阻的濾波功能。根據(jù)奇偶模理論,改變中心諧振器中心枝節(jié)的長度影響著偶模諧振頻率,進而改變天線工作頻率。通過開關二極管驅動有效的中心枝節(jié)長度,實現(xiàn)工作頻帶的切換。

        2 濾波器設計

        圖1是本研究提出的基于山字形多模諧振器的可重構濾波器結構圖。介質基板采用厚為1 mm的FR4材料,正面為山字形諧振器與主饋線通過縫隙耦合,背面為全金屬地板。設計的濾波器結構參數(shù)如下(單位均為mm):w=2,w1=1,g1=0.4,ws=0.3,wc=0.2,ls=4,lc=7.5,k=5。由位于中心枝節(jié)上的三個p-i-n二極管開關對濾波器進行六個狀態(tài)的可重構控制。由于其結構對稱性,因此可以依據(jù)奇偶模理論對其進行分析。當奇模被激勵時,對稱面可看作電壁,此時諧振器中心相當于短路;當偶模被激勵時,對稱面可看作磁壁,此時諧振器中心相當于開路。根據(jù)傳輸線理論,奇偶模的輸入阻抗可以獲得,進一步可以推導得出奇偶模的主模諧振頻率fodd和feven如下:

        (1)

        (2)

        式中:c為電磁波在真空中的傳播速度;εr為等效的相對介電常數(shù)。從公式(1)和(2)中可以看出,奇偶模諧振頻率可以通過改變枝節(jié)的長度來調節(jié),且短枝節(jié)長度對奇偶模諧振頻率均有影響,中心枝節(jié)長度只影響偶模諧振頻率。因此,可按應用頻段需求,根據(jù)公式(1)和(2)對濾波器結構參數(shù)初值進行估計。

        圖1 可重構濾波器結構圖Fig.1 Dimensions of the proposed filter

        狀態(tài)S1S2S3頻率特性I關關-單帶通II關開開寬帶通III關開關雙帶通IV開關-單帶阻V開開開寬帶阻VI開開關雙帶阻

        本研究提出的可重構微帶濾波器不同開關狀態(tài)對應的開關狀態(tài)和頻率特性見表1。當位于微帶主饋線上的開關斷開時,從一個端口輸入的能量通過山形諧振器耦合進一步傳輸至另一端口,濾波器具有帶通特性;當位于微帶主饋線上的開關閉合,從一個端口輸入的能量直接通過主饋線傳輸至另一端口,山形諧振器作為寄生單元耦合了大量能量而不能進一步傳輸,使濾波器工作在帶阻狀態(tài)。

        圖2 中心枝節(jié)長度對狀態(tài)III濾波器性能的影響Fig.2 Influence of central stub length on filter performance at state III

        圖3 中心枝節(jié)長度對狀態(tài)VI濾波器性能的影響Fig.3 Influence of central stub length on filter performance at state VI

        3 結語

        本研究提出了一種基于集成耦合多模諧振器的可重構濾波器。為了實現(xiàn)設計的思想,具體設計了山形諧振器通過電磁耦合的方式集成于微帶饋線上,通過三個開關控制,實現(xiàn)了單帶通、寬帶通、雙帶通、單帶阻、寬帶阻和雙帶阻六種頻率性能重構的濾波器,適用于具有動態(tài)頻率需求的智能無線系統(tǒng)中。

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