一种带耦合功能的宽带频率重组滤波电路的制作方法

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1.本发明属于微波集成电路技术领域，涉及的是一种滤波电路，具体的说是一种带耦合功能的宽带频率重组滤波电路。


背景技术：

2.随着微波器件一体化、通用化、小型化进展，宽带收发系统覆盖频率达到几个倍频程。发射电路末端微波固态功率放大器具有强非线性，工作时会产生多种谐波频率，若器件本身谐波分量过大，或得不到有效抑制，经放大后会产生严重干扰。对于覆盖2-6ghz、6-18ghz等超宽频段的发射组件，部分低端频率的二次谐波落在通带内(如8ghz信号的二次谐波16ghz仍处在通带内)，固定频率的滤波电路在滤除二次谐波的同时必然会滤掉需要的同频率信号。因此，滤波电路的“重叠频段”要具有不同的滤波特性，工作频率决定此时是“通”还是“阻”；宽带系统决定了滤波电路覆盖的频带必须足够宽；滤波电路级联在系统中使用难以拆开，需要比较直接的方式反映引入滤波电路的效果，以便自检。
3.目前处理频带内谐波的滤波电路主要方式有：1、将谐波信号反向相消。它通过独立出来一个支路对谐波信号单独进行处理，需经过信号谐波提取-》滤除有用信号-》谐波信号放大—》180
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反向-》再放大-》与主路信号合成等步骤，结构复杂且成本高昂；2、采用连续可调滤波器，它通过分布参数元件加载pin二极管、yig或mems开关进行频率微调，但是引入的可变电容不理想，寄生参数大，导致高频特性差，且通频带窄；3、采用开关滤波器组进行分段滤波，它是将信号分两路或多路单独进行处理，通过开关进行选择，插损大，体积大，且通道间容易产生干扰。
4.申请公布号为cn110611487a，申请公布日为2019年12月24日的中国发明专利《一种可重构超宽带功放谐波抑制电路》中，公开了一种谐波抑制电路。它是在多个50欧姆传输线上依次并联多个第一fet开关管、第一开路短截线、第二fet开关、第二开路短截线。通过开路短截线产生谐振，一路开关控制一路微带线长度，从而控制谐振频率。此种结构的缺点在于：1、用纯开路短截线谐振，需要的短截线很长，频率低时更长(频率低于2g时将很难接受)，并且需要串联两组，q值低边频滚降特性差；2、每个谐振结构上串联两个开关，引入的插损大；3、端口未做匹配，在进行功能切换时，驻波会急剧恶化。
5.为了能满足雷达及通信系统工程化应用，最好能提供一种频率可重组、带宽宽、且插损小、驻波好的能够给出参考信号的滤波电路。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是通过设计宽带频率重组滤波电路，用便于集成、便于控制的小尺寸电路，实现多倍频程宽带放大器或放大系统频带内谐波抑制功能，具有高频带内谐波抑制度、低插损、低驻波的特性；同时集成信号耦合功能，用于耦合出参考信号。
7.技术方案:本发明采用如下技术手段加以实现:
8.一种带耦合功能的宽带频率重组滤波电路，所述滤波电路包括输入端口、输入匹
配、传输线、lc开关陷波结构、控制线、输出匹配、输出端口、耦合线、基板，所述输入端口、输入匹配、传输线、lc开关陷波结构、控制线、输出匹配、输出端口、耦合线设置在基板表面或部分埋置在基板内部，所述输入端口、输入匹配、传输线、输出匹配、输出端口依次串联，所述lc开关陷波结构由电容、开关、到地电感串联而成，彼此间隔1/4工作波长并联在传输线上，所述控制线连接lc开关陷波结构并控制其是否并入传输线，所述耦合线与传输线并行排布，与传输线构成耦合器；
9.当频率低端信号工作时，控制线打开lc开关陷波结构的开关，多个并联lc陷波结构在传输线上产生不同频率的短路点，这些频率分布在频率高端，形成阻带抑制谐波，频率低端信号低损耗通过，当频率高端信号工作时，控制线关断lc开关陷波结构的开关，使其与传输线断开信号连接，频率高端信号低损耗通过，输入匹配、输出匹配改善输入端口、输出端口的驻波，耦合线耦合出参考信号。
10.进一步的,所述输入端口、输出端口是提供便于信号连接的gsg结构的射频端口，呈现出接近50欧姆特性阻抗。
11.进一步的,所述输入匹配、输出匹配采用单枝节或“l”型匹配网络，改善lc开关陷波结构对输入端口、输出端口驻波的影响。
12.进一步的,所述传输线为微波传输线，可以任意折叠，特征阻抗为30至50欧,具体根据lc开关陷波结构的数量频率、驻波要求确定。
13.进一步的，所述lc开关陷波结构具有多个，每个lc开关陷波结构均含有电容、开关、到地电感，开关导通时不同lc开关陷波结构在与传输线连接处呈现出不同的短路频率，这些频率离散地分布在阻带内。
14.进一步的，所述lc开关陷波结构，从与传输线连接处开始，依次是电容、开关、到地电感串联,他们共同决定了短路频率，且电容隔离直流，到地电感提供直流接地，开关连接控制线。
15.进一步的，所述控制线控制开关导通或关断。
16.进一步的，所述开关不需要同时导通或关断。
17.进一步的，所述耦合线与传输线并行排布，构成均匀或非均匀耦合器，其尺寸、间距需根据耦合度确定，它的两个端口分别是耦合端口和50欧姆负载。
18.本发明工作的原理是，多个lc陷波结构并联在传输线上，控制线控制lc陷波结构上开关的通断，从而控制lc陷波结构是否并入传输线，实现频率重组。当频率低端信号工作时，控制线打开lc开关陷波结构的开关，多个并联lc陷波结构在传输线上产生不同频率的短路点，这些频率分布在频率高端，形成阻带抑制谐波，频率低端信号低损耗通过；当频率高端信号工作时，控制线关断lc开关陷波结构的开关，使其与传输线断开信号连接，频率高端信号低损耗通过。输入匹配、输出匹配改善输入端口、输出端口的驻波，耦合线与传输线构成一个均匀或非均匀、对称或非对称耦合器，耦合出参考信号。因为lc谐振电路的品质因数高，因而阻带的滚降特性非常好；多个lc陷波结构传输线上产生不同频率的短路点形成阻带，因而可以极大拓展带宽；开关未串入传输线，传输线上无有耗电路，因而损耗小；lc陷波结构中的电容可以较大，使占面积较大的到地电感很小，从而有效减小体积。
19.本发明工作的有益效果：本发明通过控制lc陷波结构是否并入传输线实现了能滤除频带内二次谐波的宽带频率重组滤波电路。传输线上无有耗电路因而损耗小；lc谐振电
路品质因数高因而滚降特性好且阻带抑制度高；传输线与耦合线集成，能提供参考信号。同时本发明结构简单、体积小、实用价值高，值得在业内推广。
附图说明：
20.图1是本发明的结构框图；
21.图2是lc陷波结构图；
22.图3是单个lc陷波结构并入传输线后产生短路点的仿真结果；
23.图4是实施例一应用在6-18ghz的原理图；
24.图5是实施例一的原理图仿真结果；
25.图6是实施例一的实物版图(表层金属)；
26.图7是实施例一的实物测试结果；
27.附图标记说明：1—输入端口；2—输入匹配；3—传输线；3-1—电容；3-2—开关；3-3—到地电感；4—lc陷波结构；5—控制线；6—输出匹配；7—输出端口；8—耦合线；9—基板。
具体实施方式：
28.下面将结合附图对本发明进行进一步详述。
29.本发明涉及一种带耦合功能的宽带频率重组滤波电路，如图1所示，包括输入端口1、输入匹配2、传输线3、lc开关陷波结构4、控制线5、输出匹配6、输出端口7、耦合线8、基板9。输入端口1、输入匹配2、传输线3、lc开关陷波结构4、控制线5、输出匹配6、输出端口7、耦合线8设置在基板9表面，或部分埋置在基板9内部(多层基板)。输入端口1、输入匹配2、传输线3、输出匹配6、输出端口7依次串联。lc开关陷波结构4由电容4-1、开关4-2、到地电感4-3串联而成(如图2所示)，彼此间隔1/4工作波长并联在传输线3上，lc开关陷波结构的数量和具体参数值由工作频带决定。控制线5连接lc开关陷波结构4上的开关4-2，控制lc开关陷波结构4其是否并入传输线3。耦合线8与传输线3并行排布，与传输线3构成耦合器。输入匹配2、输出匹配6采用常见的“l”型匹配网络改善输入端口1、输出端口7的驻波。
30.当频率低端信号工作时，控制线5打开lc开关陷波结构4的开关4-2，多个并联lc陷波结构4在传输线上3产生不同频率的短路点，这些频率分布在频率高端，形成阻带抑制谐波，频率低端信号低损耗通过；当频率高端信号工作时，控制线5关断lc开关陷波结构4的开关4-2，使其与传输线3断开信号连接，频率高端信号低损耗通过。从而实现频率重组，抑制宽带器件频带内谐波。输入匹配2、输出匹配6改善输入端口1、输出端口7的驻波，耦合线8耦合出参考信号。
31.下面用具体实施例来对本发明实施方式进行详述：
32.实施例一：
33.图4是本发明应用在6-18ghz的原理图，原理图仿真在ads上进行。基板9是gan hemt工艺的介质基板，粗略等效为介电常数9.8的双层基板。输入端口1、输出端口7为50欧姆射频连接端口。输入匹配2为串联电感，输出匹配6为“l”型串并电感电容。传输线3特征阻抗为35欧姆，其上并联4个lc陷波结构4a-4d,4个lc陷波结构4a-4d间距1.1mm。当开关4-2导通时lc陷波结构4在传输线3处呈现出来的短路频率为此频率信号将被短
路到地而无法通过，如图3所示。调节4个lc陷波结构的电容4-1、到地电感4-3，并算上开关4-2寄生电感，使4个lc陷波结构的f0依次为12.5ghz、12.94ghz、15.93ghz、18.55ghz，这四个f0形成12-18ghz的高谐波抑制阻带，而6-9ghz是通带，此时6-9ghz信号低损耗通过，二次谐波12-18ghz被抑制。当开关4-2断开时lc陷波结构4的电容4-1相当于开路，信号将低损耗通过传输线3。耦合线8与传输线3不等间距并行排布，一个端口是50欧姆负载，构成非均匀耦合器，调节耦合线间距能获得需要的耦合度，实施例一中耦合度是30db。
34.图5给出了实施例一原理图主要的仿真结果，可以看到开关4-2导通时，6-9ghz为通带，且插损小，驻波优于1.5,二次谐波12-18ghz为阻带，阻带抑制在40db以上；开关4-2关断时，6-18ghz均为通带，且插损小,驻波优于1.6。仿真通带耦合度在30db附近。
35.图6给出了基于gan hemt工艺实际加工出来的单片微波集成电路mmic(仅表层必要结构)，是图5原理图的最终实现。输入端口1、输入匹配2、传输线3、lc开关陷波结构4、控制线5、输出匹配6、输出端口7、耦合线8均在gan基板9上制作，器件值根据图4原理图设置。图7给出了实施例一的主要实测结果，跟仿真结果一致。实施例一实现了一种优良的带耦合功能的6-18ghz频率重组滤波电路。
36.值得说明的是：本发明不仅限用于6-18ghz,诸如2-6ghz、5-18ghz均可应用。本发明具体参数值、数量具有很强的频率、指标相关性，为说明本发明采用原理，公布了参数具体设计依据和方法，频率指标不仅限于实施例一。本发明实施例一中的开关是同时导通或断开，其它实施例中可以不同时导通或关断，此时将对频段进行更细致的划分，实现多种状态下的频率重组，但等价形式仍在本技术所附权利要求书所限定的范围。
37.应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改进或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。