频率可调滤波功分器及其设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种频率可调滤波功分器及其设计方法。

技术背景

随着各种通信系统快速发展。无线通信系统通常需要工作多个频段来适应用户不同的需求。因此，需要多个工作在不同频率的并行通道来满足不同的通信协议的要求。这样会使系统复杂度增加，尺寸和功耗不可避免会增大。由于移动通信、卫星通信等无线设备中需要减小设备体积或在有限空间内容纳更多的功能模块。设备的小型化，多频段工作，增加工作带宽，提高传输速率。因频率选择和功率分配的需要,滤波器和功分器通常是不可或缺的重要组成部分。功率分配器分配/合成信号的功能，在无线设备很多天线阵列和平衡电路中都要用到功分器。因此功分器即功率分配器广泛用于天线阵列，平衡功率放大器，混频器和移相器中，是通信或雷达系统中的重要器件。而带通滤波电路可以分离出所需频带的功能，也是无线通信系统中不可或缺的组件这，两种元件经常共存于雷达、通信及测量系统中。

功分器是一个基础的微波电路，是用来把输入信号分为两路或多路信号的微波无源器件，最基本的功分器是一个三端口网络。一个功分器的输出端口之间通常要求功率分配端口间的隔离度、通带宽度、通带波动、回波损耗、插入损耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群时延等等主要技术参数。功分器可分为二进制和累进制等，功率可以是等分的，也可以是不等分的。二进制功分器在实际中应用比较多，而威尔金森Wilkinson功分器就是一种常见的二进制功分器。单节变换的Wilkinson功分器工作频带较窄，虽然在中心频率时性能较好，但在频带边缘往往输入驻波比较差。由于单节λ4阻抗变换器工作带宽为窄带，不能实现宽带功分器，因此常常采用多节阻抗变换器相级联的方式来展宽工作频带。在多节阶梯式阻抗变换器中，若各阻抗阶梯所产生的反射波彼此抵消，便可以使匹配的频带得以展宽。通常选择的技节数越多，功分器的工作频带越宽，但是尺寸也越大，传输线的损耗也会增加。

在雷达、通信及测量系统中，滤波器是关键器件之一。其性能对于整个系统性能具有重要的影响。滤波器按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。目前缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。滤波器和功分器作为重要无源器件分别用于频率选择和功率的分配。为了实现信号滤波传统方法是将滤波器串联在功分器后面,其代价是增加电路尺寸和集成中互联阻抗不匹配的损失,使得制作成本高,损耗高。在传统的射频微波系统中,为实现滤波和功率分配功能,通常采用将滤波器和功分器独立设计后再进行级联的方案,这将导致整个电路系统的占用面积较大,插入损耗随之增加。传统的Wilkinson功分器的选择性较差，信号滤波是通过附加滤波器来完成的即在两个输出端口之后级联两个额外的带通滤波器(BPF),其代价是增加电路尺寸和集成中互联阻抗不匹配的损失，使得制作成本高，损耗高。按照滤波的带宽来归类，对于滤波功分器的研究可以有单频带响应和多通带响应的滤波功分器；根据功分器结构的差别，有基于Wilkinson设计的结构，有利用Gysel设计的结构和T型功分器，目前，具有单通带滤波功能的功率分配器虽然具有分配/合成信号的功能，大大减小了射频电路的体积。然而，传统的两种元件经常共存于系统中的功分器和滤波器为两个独立器件，中心频率不可调，不利于小型化。

发明内容

鉴于目前的滤波功分器无论是在设计方法还是在性能表现上仍然面临着诸多问题和缺陷,本发明的目的在于提供一种体型小，重量轻，能耗低，宽上阻带，高隔离度，低插入损耗，集滤波性能和功分特性于一体的频率可调滤波功分器及其设计方法，以实现滤波功分器小型化的同时解决其工作频率固定不可调节的问题、损耗高和尺寸大的弊端。

本发明解决所述问题采用以下技术方案：一种频率可调滤波功分器及其设计方法，其特征在于：在带金属层的介质基板4金属层蚀刻出滤波功分结构3，以两个以上分支节点输出制作类似威尔金森功分器的两个支路对称环阻带滤波器，实现滤波功分功能；相对于滤波功分结构，金属地板介质基板5加载有U型开口的液晶层，以及通过U型开口对液晶材料加载直流偏置电压的U环金属线8，液晶层6通过U环金属线8两个开路端点加载直流偏置电压，调控液晶层6的介电常数在2.74-5.44之间，实现频率电可调；通过位于金属层(1)之上频率影响介质的一层铁磁薄膜(7)精细调控频率，在铁磁薄膜7上外加电流将磁导率控制在600-6000之间，实现频率磁可调。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过在滤波功分结构上覆上一层铁磁薄膜，外加电流改变铁磁薄膜磁导率；在其介质基板下方镶嵌一块液晶材料，通过对液晶上方的金属线加压改变液晶介电常数，从而实现滤波功分频率可调。可调滤波功分器的相关枝节被用来调节各个谐振点的位置使得这些谐振点均匀地分布在通带内以获得超宽带特性,加载的内圆环可以用于控制传输零点的位置提高通带的选择性。实测结果表明该滤波功分器的相对带宽为106％,其矩形系数为1.08左右,具有超宽带。所设计的结构在通带两侧各有一个传输零点,实现了良好的带通响应。且保持了损耗低、品质因数高、功率容量大、易于与其他平面电路集成的优点。枝节加载结构,实现腔体结构的低频小型化,且与微带等结构相比,可提供更低的插损。

本发明基于传统Wilkinson功分器与开路枝节线,采用的金属地板介质基板5加载有U型开口的液晶层6，以及通过U型开口对液晶材料加载直流偏置电压的U环金属线8；将滤波器与功分器结合，实现微波器件电尺寸的小型化；基于液晶材料的超宽带可调带阻型频率选择表面液晶层因其介电常数可由电压偏置调控，实现工作频率粗调。可以看出，与其它滤波功分器性能相比，这种兼具滤波性能与功率分配性能的可调滤波功分器，提供更高的工作频率、更好的隔离特性以及更好的频率选择特性。

本发明所设计滤波功分结构把滤波电路与功分电路融合，不仅获得良好电性能，而且体积小重量轻，能耗低。可以为天线提供多输入输出通道和实现选频作用,大大降低天线系统的制作成本和损耗。

附图说明

图1为本发明所提供的频率可调滤波功分器的三维分层示意图。

图2是图1的滤波功分电路结构示意图。

图3是图1的俯视图；

图4是图1液晶层的介电常数取2.74-5.44，铁磁薄膜的磁导率取600-6000时的插入损耗S21、S31参数图。

图5是图4的输入回波损耗S11参数。

图6是图4的通带内隔离度S23参数图。

图中：1、第一金属层；2、第二金属层；3、滤波功分结构；4、介质基板；5、金属地板介质基板；6、液晶层；7、铁磁薄膜；8、U环金属线；9、金属化过孔；10、微带线。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在带金属层的介质基板4蚀刻出滤波功分结构3，以两个以上分支节点输出制作类似威尔金森功分器的两个支路对称环阻带滤波器，实现滤波功分功能；然后相对于滤波功分结构3，在金属地板介质基板5上镶嵌一块U型开口的液晶层6，以及通过U型开口对液晶材料加载直流偏置电压的U环金属线8，液晶层6通过U环金属线8两个开路端点加载直流偏置电压，调控液晶层6的介电常数在2.74-5.44之间，实现频率电可调；通过位于金属层(1)之上频率影响介质的一层铁磁薄膜(7)精细调控频率，在铁磁薄膜7上外加电流将磁导率控制在600-6000之间，实现频率磁可调。

在一种可能的实施方式中，液晶层6和铁磁薄膜7实现滤波功分器的频率可调。位于第一层的介质基板4和位于第二介层的金属地板介质基板5制有同向平行的两个金属化过孔，两个金属柱分别通过所述两个金属化过孔贯穿第一层介质基板4，与所述金属地板介质基板5上的两个所述金属化过孔端点连接。

在以下描述的优选实施例中，可选择地，介质基板4的第一金属层1铺设于所述介质基板4的上表面，金属地板介质基板5第二金属层2铺设于所述金属地板介质基板5的下表面。

可选择地，所述铁磁薄膜7为FeCoB,为增强磁场对频率的影响，沿电流方向蚀刻有10um宽的间隙，在外加电流条件下，其磁导率可控制在600-6000之间，可实现对频率的精细调控。

可选择地，为了避免让频率影响介质直接与第一金属层1接触，从而使得频率影响介质通过滤波功分结构3漏出介质基板，所述金属地板介质基板5上开设有用于容纳所述频率影响介质的凹槽。

可选择地，参考图1所示，为了提供使得凹槽能够容纳足量的液晶，并且让液晶层6离第一金属层1更近，从而让液晶层6更好地影响谐振状态，所述率影响介质铁磁薄膜，位于第一金属层之上，金属地板介质基板5的厚度大于所述介质基板4的厚度。具体地，在本实施例，介质基板4的厚度≥0.127mm，金属地板介质基板5的厚度≥0.254mm。

在可选择的实施例中，将所述频率影响介质构造为直流电压偏置型液晶层6，当在液晶层6上加载一定直流偏置电压后，液晶层6晶粒由异向排列转变为垂直排列或平行排列，使得液晶层6的液晶介电常数控制在2.74-5.44之间，而介质基板的介电常数为2.2，由于介电常数会影响电磁波，使得电磁波趋向于介电常数较高的地方，从而实现频率调节。因此为了增大液晶层6的介电常数和介质基板的介电常数的差异，所述液晶层6的填充厚度与所述金属地板介质5的厚度相等。

在一种可能的实施方式中，位于第一层的介质基板4和位于第二介层的金属地板介质基板5制有同向平行的两个金属化过孔，两个金属化过孔9贯穿介质基板4和金属地板介质基板5，两个金属柱分别通过所述两个金属化过孔贯穿第一层介质基板4，与U环金属线8的两个端点连接，从而通过金属化过孔9给U环金属线8进行加压。通过U环金属线8给液晶层6加上直流偏置电压，用于对液晶层6进行调控。

参阅图2、图3。可调频率滤波功分结构3包括：两条四分之一波长阻抗变换传输线相向对称相连的一对矩环阻带滤波器和类似于SIW谐振腔的双通带滤波功分器结构，阻带滤波器上、下

双通带滤波功分器结构基于滤波功分器在功能上是滤波器与功分器组合，采用类似于威尔金森Wilkinson功率分配器的谐振腔，通过“T”型微带谐振环双分支开路端跨接隔离电阻加宽工作带宽。通过跨接隔离电阻实现两个阻带环形器通带内的隔离。隔离电阻跨接在不相邻的上下两根微带线上降低了输出端口之间的相互干扰。“T”型微带谐振环产生谐振点形成通带，再利用两线耦合将能量等分到2个端口，1/4波长开路枝节端接在耦合线的一端产生三个传输零点，刻在接地板上实现一个位于第二通带旁的传输零点。该滤波功分器的S参数，通带内隔离约为15dB。实物测试结果表明，10GHz左右18％的相对带宽内隔离约为20B。两个通带的隔离特性均优于20B,隔离特性良好。

参考图4所示，横轴表示频率(GHz)，纵轴表示散射系数参数(dB)，本实施例的滤波功分器性能良好，中心工作频率可由16.56GHz偏移到17.56GHz，通带内的最小插损为5.2dB，阻带抑制在-30dB以下。参考图5所示，回波损耗小于-14dB；电磁混合耦合产生的传输零点分配在通带的两边保证了幅度响应曲线变化的陡峭。此外，一对不同长度的马刺线被嵌入到U形四分之一波长线中，在上阻带产生传输零点来加宽阻带，实现了如中心频率在2.3GHz和3.5GHz,带宽为7.1％和9％，带内隔离在大于19dB。参考图6所示，滤波功分器的端口隔离小于-10dB。由此，本发明所提供的带通滤波功分器，能够实现频率降低且可以调节，在可调滤波器结合新结构的平面电路设计和应用中具有巨大的参考价值。

本发明特别参照优选的实施例来说明和展示，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，因此凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何结构或材料的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。