一种基于液态金属的可重构滤波器的制作方法

本发明涉及可重构滤波器的技术领域，具体涉及一种基于液态金属的可重构滤波器。

背景技术：

随着移动通信技术的进步，对于射频前端可重构的要求越来越高，集成可重构滤波器的通信系统相比于传统通信系统抗干扰能力和自适应能力都大大提高。

可重构滤波器按照可重构的机制可以分为机械调和电调两种，一般来说机械调整的滤波器具有q值高，损耗小的优点，缺点是调节速度相对较慢。电调频率结构滤波器的突出优点是成本低，使用方便。目前，电调机构研究的更多。电调频率可调带阻谐振器按照调节的核心部件又可以分为半导体开关二极管，半导体变容二极管，微机电开关，铁氧体二极管等等。机械式可调滤波器在以往主要是手动调节，电机调节或者利用记忆金属等方法，随着无毒常温液态金属的广泛应用，目前在滤波器领域也开始研究基于液态金属的可重构滤波器。

基于液态金属的可重构滤波器存在液态金属通道加工困难，中心频率调节后回波损耗曲线变化大，如3db带宽变化明显等问题。

因此，设计易于加工的基于液态金属的高性能可重构带阻滤波器，对提高可重构滤波器的性能是有实际意义的。

技术实现要素：

本发明提出了一种新型的基于液态金属的可重构滤波器，该滤波器具有易于加工，控制简便，回波损耗曲线随调节频率变化小等突出优点。

本发明采用的技术方案为：一种基于液态金属的可重构滤波器，包括一段主传输线，一系列平行线耦合谐振器，导管，微泵和微泵控制器；主传输为微波传输线可以为微带线，带状线等结构，主传输线分布在介质板上，介质板的下方有金属地；在主传输线的一侧或两侧分布有基于电耦合或磁耦合的谐振器，该谐振器的谐振长度由两部分叠加组成，一部分是固定印制在介质板上的，一部分由导管内的液态金属构成；液态金属部分在接地孔的位置以上部分为谐振器的一部分，在接地孔位置以下的部分与金属地是一体的，不影响谐振频率；液态金属调谐部分与主传输线之间的距离与印制的谐振器部分与主传输线间的距离不同。

该结构的特点是采用了比较容易加工的导管，导管可以是市面上常见的聚四氟乙烯管，塑料管等，避免了采用现在常用的专门加工的3维导管结构，将导管在金属地下面的结构藏在了尺寸较大的金属地下面，该部分的液态金属对滤波器的谐振结构几乎没有影响，这使得直接用微泵控制液态金属在介质板上方的长度成为可能，液态金属部分自成一个循环系统，液态金属不直接接触金属地和印制的谐振结构部分。该结构设计的另外一个显著特征是液态金属调谐部分与主传输线之间的距离与印制的谐振器部分与主传输线间的距离不同，这使得这两部分的耦合强度不相同，因此在调整滤波器中心谐振频率时，可能保持相对稳定的回波损耗曲线，相应的插入损耗曲线也会比较稳定。

该滤波器的各个谐振器长度基本相同，由于互耦效应可能对各个谐振器的长度进行微调，谐振器的一端由接地过孔接地，接地过孔中留出导管穿出的孔径。谐振器的工作频率由谐振器长度决定，谐振器的最小谐振长度为l1+l2,当液态金属在介质板上方的部分长度l3长于l2时，谐振器的谐振长度为l1+l3。谐振器的工作频率是可以调节的，工作中心频率由谐振器的谐振长度决定，谐振器的可调频率范围决定于对阻带宽度、阻带边缘回波损耗参数变化率等参数，当对滤波器阻带或通带性能要求相对较低时，可调频率范围宽，对滤波器阻带或通带性能要求相对较高时，可调频率范围窄。

各个谐振器的液态金属可重构部分统一由一个微泵控制，如果需要对各个谐振器长度调整量做单独设计可以通过控制节点处导管直径实现。微泵控制由去离子水和液态金属共同组成的一个循环系统，用去离子水和液态金属共同填充在导管中，去离子水使由微泵产生的压力能够准确传递到液态金属从而实现液态金属部分长度的精确控制。微泵作为可重构滤波器主要的驱动单元，微泵由微泵控制器控制，可通过对微泵控制器进行编程实现谐振频率具有一定频率变化或滤波器阻带或通带波形具有一定灵活性。

液态金属调谐部分与主传输线之间的距离与印制的谐振器部分与主传输线间的距离不同，液态金属调谐部分与主传输线之间的距离超过印制的谐振器部分与主传输线间的距离2倍时，液态金属调谐部分与主传输线间的耦合可以忽略；液态金属调谐部分与主传输线之间的距离用于控制液态金属调谐部分与主传输线间的耦合强度，通过调节液态金属调谐部分与主传输线之间的距离可以帮助整个带阻滤波器的回波损耗曲线在调谐过程中相对稳定。

在该带阻滤波器中涉及的谐振器单元具有一定普适性，用接地谐振器便于进行调节的方案可以将该类谐振器用于带通滤波器，如梳妆滤波器的谐振器单元。

本发明的原理在于：

本发明是一种基于液态金属的可重构滤波器，充分利用了导体之间距离较近耦合较强时，在频率较高时，近似等效为两个导体实现了电连接，从而避免了使可重构带阻滤波器的液态金属部分必须与印制电路板上的金属相连。使液态金属部分存在于一个独立的循环系统中。本发明将液态金属调谐部分与主传输线之间的距离与印制的谐振器部分与主传输线间的距离设置为不同的值，使得在中心频率调整的过程中，可以对液态金属调谐部分和印制的谐振器部分的耦合强度分开控制，从而使整个滤波器在中心频率调整后仍然能够维持相对稳定的插入损耗曲线。滤波器中心频率调整时，各个谐振单元的长度改变基本是相同的，采用同一个微泵对流量进行等分控制就能够实现对谐振单元的控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明解决了基于液态金属的可重构滤波器谐振器加工困难的问题，将整个液态金属控制部分封闭在导管中，导管是市面上可采购的成熟产品，成本较低。

(2)、本发明将液态金属调谐部分与主传输线之间的距离与印制的谐振器部分与主传输线间的距离设置为不同的值，这使得这两部分的耦合强度不相同，因此在调整滤波器中心谐振频率时，可能保持相对稳定的回波损耗曲线，相应的插入损耗曲线也会比较稳定

(3)、本发明将控制系统集成度做了提高，由单个微泵控制整个谐振器，降低了系统复杂度和功耗，为该技术在移动终端设备上应用提供了可能性。

附图说明

图1为本发明一种基于液态金属的可重构滤波器结构示意图；

图2为可重构滤波器控制网络示意图；

图3为优选实施例示意图；

图4为滤波器仿真结果s21曲线；

图5为滤波器仿真结果s11曲线；

图中的附图标记含义为：1为主传输线，2为第一个耦合谐振器，3为第二个耦合谐振器，4为第n个耦合谐振器，5为接地孔，6为液态金属，7为去离子水，8为在控制网络示意图中的液态金属，9为在控制网络示意图中的去离子水，10为微泵，11为微泵控制器，12为导管，13为介质板，14为液态金属导管分配网络。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明构思如下：图1为本发明一种基于液态金属的可重构滤波器结构示意图。包括主传输线1、第一个耦合谐振器2、第二个耦合谐振器3、……、第n个耦合谐振器4。当传输信号的频率为耦合谐振器的谐振频率时，在该谐振器上就会发生谐振，达到在主传输线1上该频率分量被抑制，滤去该频率的效果。

通过改变和主传输线相耦合的谐振器的谐振长度，能改变其主频值，即改变本滤波器的阻带范围，实现可重构的目的。为做到调整谐振器谐振长度，本发明将谐振器分为固定部分和可调部分，两部分不直接接触，利于调节。当两部分导体之间的距离充分接近，耦合程度强时，在高频可以近似等效为两部分实现了电连接。图中l型为固定部分，由印制在电路板上的微带线谐振器构成；图中接地孔5、液态金属6、去离子水7构成可调部分，为封装闭环导管中的液态金属和等离子水构成。导管12横穿介质板13和金属地，内部填满了由液态金属以及去离子水7组成的循环系统。其导管12为市面常见材料，如聚四氟乙烯等，对谐振几乎没有影响。去离子水7以及藏于金属地下方的液态金属也对谐振无影响。因而可调部分的谐振长度仅与在介质板上方的液态金属长度相关。通过微泵10能够精确控制介质板13上方液态金属长度，达到改变谐振频率，实现可重构的目的。

根据上述的发明构思，本发明采用如下技术方案：

图1为本发明一种基于液态金属的可重构滤波器结构示意图；

首先根据设计指标，确定滤波器类型，然后根据选定的滤波器，去计算谐振器尺寸参数等等。

设计指标为设计出中心频率为1.0ghz，带宽为20mhz，输入输出特性阻抗均为50ω的带阻滤波器。

我们选用阶数n等于3的等波纹切比雪夫低通模型。据切比雪夫不等式，已知n＝3，波纹0.1db可以确定g参数的值，再由滤波器转换，将低通模型转为对应的集总元件lc的带阻滤波器。

g0＝g4＝1

其中，ωc为归一化后的截止频率，为1；ω0为中心频率，为(ω1ω2)^1/2＝6.2829ghz，ω2和ω1分别为两个阻带频率；γ0为阻抗缩比因子，为z0/g0＝50，z0为主传输线特征阻抗；fbw为相对带宽，为(ω2-ω1)/ω0＝20/999＝2％。由此我们得出符合设计指标的集总参数lc滤波器。

之后，需要将该集总参数模型转换为l型微带线谐振器。微带线电路板采用了罗杰斯4350设计参数，介电常数为3.66，厚度为10mil。可得微带线谐振器特征阻抗zu为：

因为微带线的特征阻抗由介质板的有效相对介电常数，介质板厚度，微带线的宽度和厚度决定。我们使用的三个谐振器设为相同的谐振器，由微带线特征阻抗计算的近似解方程，可以倒推出谐振器的微带线宽度为：

w1＝w2＝w3＝21.6mil＝0.55mm

之后计算x参数，即电抗斜率参数，

其中δf0.1db为0.1db阻带带宽，为(ω2-ω1)/2π＝20mhz，f0为中心频率1.0ghz。

通过软件仿真，可以画出x参数和微带线谐振器与主传输线的间距的关系，从而确定各微带谐振器与主传输线的间距为：

s1＝s3＝10.7mil,s2＝10.0mil

通过中心频率，可以算出谐振器的谐振长度为：

l11＝l12＝l13＝700mil，

其中c为真空中光速，f为谐振频率，εeff为等效介电常数。

通过仿真，将谐振器长度调整至不同长度时，得到滤波器的s参数曲线。具体谐振器长度分别设置为：

l31＝1000mil,l32＝900mil,l33＝1100mil

图2为可重构滤波器控制网络示意图；包括主传输线1，一系列耦合谐振器：第一个耦合谐振器2，第二个耦合谐振器3，……，第n个耦合谐振器4，导管12，微泵10和微泵控制器11，所有耦合谐振器通过各自导管12与金属地之下的液态金属分配网络相连，网络由微泵10及微泵控制器11控制。导管12用于连接谐振器与分配网络中的液体。分配网络中分别储有液态金属与去离子水7。当需要增长谐振长度时，微泵10控制器计算出介质板上方各耦合器需要的液态金属长度，然后控制微泵10来调节。微泵10将分配网络中的液态金属精确地泵压进导管，最终达到耦合器中，然后等体积的去离子水7将会通过导管回流到图示左侧的分配网络中，谐振器的液态金属长度即发生改变，谐振长度也相应发生变化。需要减少谐振长度时，微泵10将去离子水7泵入导管，同体积的液态金属将回流到分配网络中，液态金属长度减小。

图示中l1为谐振器印制部分垂直于主传输线的长度，l2为谐振器印制部分平行于主传输线的长度，l3为谐振器可调部分的液态金属平行于主传输线的长度，sn为谐振器与主传输线的间距。

图3为优选实施例示意图；其中，se1、se2和se3分别是三个耦合谐振器与主传输微带线的间距；lex1、lex2和lex3分别是三个耦合谐振器固定印制在介质板上垂直于主传输线方向的长度；ley1、ley2和ley3分别是三个耦合谐振器固定印制在介质板上平行于主传输线方向的长度；lez1、lez2和lez3分别是三个耦合谐振器的液态金属可调部分长于固定印制部分的长度。

图4为滤波器仿真结果s21曲线；其中，l31为第一种状态下谐振器的谐振长度，l32为第二种状态下谐振器的谐振长度，l33为第三种状态下谐振器的谐振长度，从曲线可以观察到，谐振长度为l31时，谐振频率为1.0ghz，，谐振长度为l32时，谐振频率为0.9ghz，谐振长度为l33时，谐振频率为1.1ghz。

图5为滤波器仿真结果s11曲线；其中，l31为第一种状态下谐振器的谐振长度，l32为第二种状态下谐振器的谐振长度，l33为第三种状态下谐振器的谐振长度，从曲线可观察到，各状态下曲线的最大值对应的频率点与图4中谐振频率一致。

图4、图5分别为用电路仿真软件得出的s21和s11曲线图。其中s21为插入损耗，s11为回波损耗。由s21图像可知，谐振器中心频点为1.0ghz，带宽为20mhz，符合设计要求。从s21曲线可以看出，滤波器中心频率可以实现从0.9ghz到1.1ghz可调，l3增大时，中心频率向变大的方向移动，但是s参数曲线形状基本上维持不变，表明其特性在新的中心频率下s参数曲线形状也能基本维持不变。

本发明涉及的一种基于液态金属的可重构滤波器，该滤波器可以作为通信系统中的重要射频前端单元使用，可是实现较宽的可调带宽和较低的插入损耗，加工制造简单，控制方便，能够应用于移动基站及移动终端，实现对干扰信号的有效抑制。